物理学 II：電磁気学：直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、10 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

クーロンの法則と電場

クーロンの法則: F = k·|q₁q₂|/r²
点電荷のつくる電場: E = k·|q|/r²
定数: k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C²
電荷が受ける力: F = q·E

抵抗の直列・並列

抵抗の直列接続: R_eq = R₁ + R₂ + …
抵抗の並列接続: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
2 つの並列接続: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
オームの法則: V = I·R
電力: P = V·I = I²R = V²/R

解き方

端子からいちばん遠い回路網の端から始めます。
直列の抵抗は足し合わせ、並列の抵抗は 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + … でまとめます。
1 ステップごとに回路を描き直します。
端子間に抵抗が 1 つだけ残るまで繰り返します。

RC・RL 過渡現象

時定数: τ = RC | τ = L/R
応答: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
直流でのコンデンサ: 開放；v_C は急変しない
直流でのインダクタ: 短絡；i_L は急変しない
定常値: t ≈ 5τ

解き方

切り替え直後の初期値を求めます：コンデンサの電圧とインダクタの電流は急に変化できません。
切り替えから十分時間がたったあとの最終値を求めます：コンデンサは開放、インダクタは短絡として扱えます。
時定数を求めます：τ = RC または τ = L/R。抵抗はコンデンサまたはインダクタから見た抵抗を使います。
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ を使います。

磁場と電磁誘導

長い直線導線: B = μ₀I/(2πr)
平らなコイルの中心: B = μ₀NI/(2R)
長いソレノイド: B = μ₀nI, n = N/L
定数: μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
導線に働く力: F = BIL·sin θ
電荷が受ける力: F = |q|vB·sin θ
円運動: r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
平行導線: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd)
磁束: Φ = BA·cos θ
ファラデーの法則: ε = −N·ΔΦ/Δt
動く棒: ε = BLv
発電機: E₀ = NBAω, E_rms = E₀/√2
インダクタンス: ε = L·ΔI/Δt, L = μ₀N²A/l, W = ½LI²
相互インダクタンス: ε₂ = M·di₁/dt, M = k√(L₁L₂)
速度選択器と質量分析計: v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

解き方

すべての量を SI 単位に換算しましょう：cm は m に、cm² は m² に、mT と µT は T に。
正しい公式を選びましょう：導線は B = μ₀I/(2πr)、コイルの中心は μ₀NI/(2R)、ソレノイドの内部は μ₀nI。力には F = BIL·sin θ または |q|vB·sin θ を使います。
電磁誘導では、磁束の変化 ΔΦ = Δ(BA·cos θ) を求めて ε = N·ΔΦ/Δt を使います。動く棒には ε = BLv、回転するコイルには NBAω を使います。
向きは、右手の法則と、誘導電流にはレンツの法則を使って別々に求めましょう。

交流インピーダンスとフェーザ

インピーダンス: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
角周波数: ω = 2πf
大きさと偏角: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
フェーザ表示のオームの法則: V = I·Z

解き方

周波数を換算します：ω = 2πf。
各リアクタンスを求めます：X_L = ωL、X_C = 1/(ωC)。
インピーダンスは抵抗と同じように足します。Z = R + jX です。
大きさ |Z| = √(R² + X²) と角度 φ = atan(X/R) を求め、フェーザでオームの法則を使います。

2演習問題

1.クーロンの法則と電場ふつう

+3 µC と +1 µC の電荷が 20 cm 離れている。両者を結ぶ線上で、+3 µC の電荷からどれだけの距離 x の点で電場が 0 になるか。

q₁ = +3 µCq₂ = +1 µCd = 20 cm

x = cm

2.クーロンの法則と電場むずかしい

3 つの正の点電荷が直角三角形の頂点にある：q₃ = 1 µC は直角の頂点に、q₁ = 3 µC はそこから一方の辺に沿って 4 cm の位置に、q₂ = 6 µC はもう一方の辺に沿って 4 cm の位置にある。q₃ にはたらく静電気力の合力の大きさ F を求めよ。

q₁ = 3 µCq₂ = 6 µCq₃ = 1 µCr₁₃ = 4 cmr₂₃ = 4 cm

F = N

3.抵抗の直列・並列ふつう

電源が供給し R₁ を流れる電流 I_R1 を求めよ。

V₁ = 9 VR₁ = 2 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 6 ΩR₄ = 3 Ω

I_R1 = A

4.抵抗の直列・並列むずかしい

R₂ を流れる電流 I_R2 を求めよ。

V₁ = 9 VR₁ = 15 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 6 ΩR₄ = 10 ΩR₅ = 3 ΩR₆ = 30 Ω

I_R2 = A

5.RC・RL 過渡現象ふつう

t = 0 でスイッチが閉じる前、コイルに電流は流れていない。 t = 1 ms における電流 i を求めよ。

V_s = 20 VR = 100 ΩL = 68 mHt = 1 ms

i = A

6.RC・RL 過渡現象むずかしい

スイッチは長い間閉じていたので、回路は定常状態にある。t = 0 にスイッチが開く。 t = 50 ms で R₂ を流れる電流 i₂ を求めよ。

V_s = 20 VR₁ = 1 kΩR₂ = 4.7 kΩC = 22 µFt = 50 ms

i₂ = mA

7.磁場と電磁誘導ふつう

正方形のループが右へ動き、紙面の奥向きの一様な磁場のある領域に入ります。ループが磁場に入っている間の、図で見たループの誘導電流の向きをクリックしてください。

B: 紙面の奥向き磁場に入っている途中

1時計回り
2反時計回り

8.磁場と電磁誘導むずかしい

250 巻き、12 cm × 10 cm のコイルが、磁場に垂直な軸のまわりに、0.25 T の一様な磁場の中で回転します。実効値 33.32 V の起電力を得るには、どれだけの回転数 n（毎分回転数）で回す必要がありますか？

N = 250A = 12 cm × 10 cmB = 0.25 TE_rms = 33.32 V

n = rpm

9.交流インピーダンスとフェーザふつう

抵抗とコンデンサが並列に、230 V（実効値）、60 Hz の電源に接続されている。インピーダンスの位相角 φ を度で求めよ（電流が電圧より遅れるとき正）。

V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 10 ΩC = 100 µF

φ = °

10.交流インピーダンスとフェーザむずかしい

直列 RLC 回路の R = 10 Ω、L = 10 mH、C = 2.2 µF である。帯域幅 B（半電力周波数の間の帯域の幅）を Hz で求めよ。

R = 10 ΩL = 10 mHC = 2.2 µF

B = Hz

3溶液

1.クーロンの法則と電場

答え: x = 12.68 cm

Coulomb’s law: two point charges attract or repel with F = k·|q₁·q₂|/r², with k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C². The field of a point charge is E = k·|q|/r², pointing away from a positive charge and towards a negative one. Forces and fields from several charges add as vectors.

電場が等しい

3/x² = 1/(20 − x)²

(20 − x)/x = √(1/3) = 0.5774

位置

x = 20/(1 + 0.5774) = 12.68 cm

答え

x = 12.68 cm

電場が 0 になる点は常に小さい方の電荷に近くなります。

2.クーロンの法則と電場

答え: F = 37.69 N

クーロンの法則：2 つの点電荷は F = k·|q₁·q₂|/r² の力で引き合うか反発し合います。ただし k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C²。点電荷のつくる電場は E = k·|q|/r² で、正電荷からは遠ざかる向き、負電荷へは近づく向きです。複数の電荷による力や電場はベクトルとして足し合わせます。

q₃ にはたらく各力

F₁ = k·3·1 × 10⁻¹²/0.04² = 16.86 N

F₂ = k·6·1 × 10⁻¹²/0.04² = 33.71 N

ベクトル和

F = √(16.86² + 33.71²) = 37.69 N

答え

F = 37.69 N

3.抵抗の直列・並列

答え: I_R1 = 1.097 A

直列と並列の抵抗：直列では各抵抗に同じ電流が流れ、R = R₁ + R₂ + …。並列では各抵抗に同じ電圧がかかり、1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。はしご形回路は 1 組ずつまとめ、1 つの合成抵抗になるまで続けます。

遠い端から抵抗をまとめる

電源から最も遠い端から始め、電源に向かって戻ります。同じ電流が流れる抵抗は直列、同じ 2 つの節点の間にある抵抗は並列です。

R₃ + R₄ = 6 + 3 = 9 Ω

R₂ ∥ 9 = 20·9/(20+9) = 6.207 Ω

R_eq = R₁ + 6.207 = 2 + 6.207 = 8.207 Ω

電源からの電流

電源から見えるのは R_eq だけなので、オームの法則で電源の電流が求まります。この電流は R₁ を流れます。

I_R1 = V₁/R_eq = 9/8.207 = 1.097 A

答え

I_R1 = 1.097 A

4.抵抗の直列・並列

答え: I_R2 = 0.4227 A

遠い端から抵抗をまとめる

電源から最も遠い端から始め、電源に向かって戻ります。同じ電流が流れる抵抗は直列、同じ 2 つの節点の間にある抵抗は並列です。

R₅ + R₆ = 3 + 30 = 33 Ω

R₄ ∥ 33 = 7.674 Ω

R₃ + 7.674 = 13.67 Ω

R₂ ∥ 13.67 = 2.46 Ω

R_eq = R₁ + 2.46 = 15 + 2.46 = 17.46 Ω

電源からの電流

電源から見えるのは R_eq だけなので、オームの法則で電源の電流が求まります。この電流は R₁ を流れます。

I_R1 = V₁/R_eq = 9/17.46 = 0.5155 A

R₂ を流れる電流

R₁ の電圧降下を引くと節点 A の電圧、つまり R₂ の両端電圧が得られます。

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 9 − 0.5155·15 = 1.268 V

I_R2 = V_A/R₂ = 1.268/3 = 0.4227 A

答え

I_R2 = 0.4227 A

5.RC・RL 過渡現象

答え: i = 0.154 A

1 次の過渡現象：コンデンサまたはコイルを 1 つ含む回路では、すべての電圧・電流が初期値から最終値へ指数関数的に変化します：x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ、τ = RC または τ = L/R。約 5τ で回路は定常状態になります。

時定数と最終電流

スイッチを閉じて十分時間がたつと、コイルは短絡と同じに振る舞うので、最終電流は R だけで決まります。

τ = L/R = 68 mH / 100 Ω = 0.68 ms

i(∞) = V_s/R = 20/100 = 0.2 A

指定時刻の電流

i(t) = i(∞)·(1 − e^−t/τ) = 0.2·(1 − e^−1/0.68) = 0.154 A

答え

i = 0.154 A

6.RC・RL 過渡現象

答え: i₂ = 2.163 mA

コンデンサの初期電圧

定常状態ではコンデンサは開放なので、R₁ と R₂ は分圧回路になります。スイッチが開いてもコンデンサの電圧は急変できません。

v_C(0) = 20·4.7/(1 + 4.7) = 16.49 V

スイッチが開いた後の時定数

τ = R₂·C = 4.7·22 = 103.4 ms

放電

v_C(t) = 16.49·e^−50/103.4 = 10.17 V

i₂ = v_C/R₂ = 10.17/4.7 = 2.163 mA

答え

i₂ = 2.163 mA

7.磁場と電磁誘導

答え: 反時計回り

電磁誘導：ループを貫く磁束は Φ = BA·cos θ で、θ は B とループの法線のなす角です。ファラデーの法則：磁束が変化すると、N 巻きのコイルに起電力 = −N·dΦ/dt が誘導されます。レンツの法則：誘導電流は、それ自身がつくる磁場が変化を妨げる向きに流れます。磁場を横切って動く棒には起電力 = BLv が生じます。角速度 ω で回転するコイルでは e = NBAω·sin ωt で、ピーク値は NBAω です。自己インダクタンス：起電力 = −L·di/dt で、長いソレノイドでは L = μ₀N²A/l、蓄えられるエネルギーは W = ½LI² です。結合した 2 つのコイル：起電力₂ = −M·di₁/dt、M = k√(L₁L₂)。

磁束の変化

紙面の奥向きの磁束が増えるか、紙面の手前向きの磁束が減ります。

誘導電流がつくる磁場

誘導電流は変化を妨げます。

ループ内側の誘導磁場：紙面の手前向き。

電流の向き

右手の法則：反時計回りの電流は、ループの内側に紙面の手前向きの磁場をつくります。

反時計回り

答え

反時計回り

8.磁場と電磁誘導

答え: n = 600 rpm

ピーク起電力

E₀ = √2·E_rms = 47.12 V

角速度

ω = E₀/(NBA) = 47.12/(250·0.25·0.012) = 62.83 rad/s

毎分回転数

n = 60·62.83/(2π) = 600 rpm

答え

n = 600 rpm

9.交流インピーダンスとフェーザ

答え: φ = −20.66 °

フェーザによる交流回路：抵抗、コイル、コンデンサのインピーダンスは R、jωL、1/(jωC)（ω = 2πf）です。直列では抵抗と同じように足しますが、複素数として計算します。電流と電圧の実効値は |Z| を使ったオームの法則に従います。

リアクタンス

X_C = 1/(ωC) = 1/(2π·60·100·10⁻⁶) = 26.53 Ω

枝電流

両方の枝は電源に直接接続されているので、どちらにも電圧 V 全体がかかります。

I_R = V/R = 230/10 = 23 A

I_X = V/X_C = 230/26.53 = 8.671 A

全電流

抵抗の電流は V と同相で、リアクタンスの電流は 90° 位相がずれているので、直角三角形の辺のように合成されます。

I = √(I_R² + I_X²) = √(23² + 8.671²) = 24.58 A

位相角

コンデンサの電流は V より進むので、全電流も進み、角度は負です。

φ = −arctan(I_X/I_R) = −arctan(8.671/23) = −20.66°

答え

φ = −20.66°

10.交流インピーダンスとフェーザ

答え: B = 159.2 Hz

共振周波数

f₀ = 1/(2π·√(0.01·2.2·10⁻⁶)) = 1073 Hz

Q 値

Q は共振時のリアクタンスを抵抗と比べたものです：Q = ω₀L/R。

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0.01/(2.2·10⁻⁶)) = 6.742

帯域幅

B = f₀/Q = 1073/6.742 = 159.2 Hz

答え

B = 159.2 Hz

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