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

2 つの同じ小さな金属球が +6 µC と −1 µC の電荷をもっている。両者を接触させてから 20 cm 離して置く。このときの両者の間の力の大きさ F を求めよ。 Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +6 µCq₂ = −1 µCr = 20 cm

F = N

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 = 3 µC は直角の頂点に、q₁ = 4 µC はそこから一方の辺に沿って 3 cm の位置に、q₂ = 4 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 = 4 µCq₂ = 4 µCq₃ = 3 µCr₁₃ = 3 cmr₂₃ = 4 cm

F = N

3.抵抗の直列・並列ふつう

R₂ を流れる電流 I_R2 を求めよ。

V₁ = 18 VR₁ = 12 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 2 ΩR₄ = 5 Ω

I_R2 = 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 = 6 VR₁ = 3 ΩR₂ = 25 ΩR₃ = 6 ΩR₄ = 20 ΩR₅ = 5 ΩR₆ = 10 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 = 2 ms におけるコイルの電圧 v_L を求めよ。

V_s = 15 VR = 100 ΩL = 150 mHt = 2 ms

v_L = V

6.RC・RL 過渡現象むずかしい

t = 0 でスイッチが閉じる直前、コンデンサは図の極性で 10 V に充電されている。 t = 120 ms におけるコンデンサの電圧 v_C を求めよ。

V_s = 24 VR = 2.2 kΩC = 47 µFv_C(0) = 10 Vt = 120 ms

v_C = V

7.磁場と電磁誘導ふつう

25 巻きのコイルの面積は 10 cm² です。コイルに垂直な一様な磁場が、200 ms で 0.05 T から 0.85 T まで一定の割合で増加します。平均誘導起電力 ε を求めてください。

N = 25A = 10 cm²B: 0.05 T → 0.85 TΔt = 200 ms

ε = mV

8.磁場と電磁誘導むずかしい

Α粒子が、直交する電場 E = 2 × 10⁴ V/m と磁場 B₁ = 0.2 T をもつ速度選択器を、曲がらずに通り抜けます。そのあと、磁場 B₂ = 0.2 T だけがある第 2 の領域に直角に入ります。そこでの軌道の半径 r を求めてください。

E = 2 × 10⁴ V/mB₁ = 0.2 TB₂ = 0.2 Tm = 6.645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3.204 × 10⁻¹⁹ C

r = cm

9.交流インピーダンスとフェーザふつう

直列 RLC 回路を 100 V（実効値）、100 Hz の電源に接続する。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 = 100 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 47 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 回路を 10 V（実効値）、60 Hz の電源に接続する。コンデンサの両端電圧の実効値 V_C を求めよ。

V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 30 ΩL = 250 mHC = 4.7 µF

V_C = V

3溶液

1.クーロンの法則と電場

答え: F = 1.405 N

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.

接触後の電荷

q′ = (6 + −1)/2 = 2.5 µC

新しい力

F = 8.99 × 10⁹·(2.5 × 10⁻⁶)²/0.2² = 1.405 N

答え

F = 1.405 N

両方の球は同じ符号の電荷をもつようになったので、反発し合います。

2.クーロンの法則と電場

答え: F = 137.5 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·4·3 × 10⁻¹²/0.03² = 119.9 N

F₂ = k·4·3 × 10⁻¹²/0.04² = 67.42 N

ベクトル和

F = √(119.9² + 67.42²) = 137.5 N

答え

F = 137.5 N

3.抵抗の直列・並列

答え: I_R2 = 0.8936 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 = 2 + 5 = 7 Ω

R₂ ∥ 7 = 3·7/(3+7) = 2.1 Ω

R_eq = R₁ + 2.1 = 12 + 2.1 = 14.1 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 = 18/14.1 = 1.277 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 = 18 − 1.277·12 = 2.681 V

I_R2 = V_A/R₂ = 2.681/3 = 0.8936 A

答え

I_R2 = 0.8936 A

4.抵抗の直列・並列

答え: I_R2 = 0.181 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 = 5 + 10 = 15 Ω

R₄ ∥ 15 = 8.571 Ω

R₃ + 8.571 = 14.57 Ω

R₂ ∥ 14.57 = 9.206 Ω

R_eq = R₁ + 9.206 = 3 + 9.206 = 12.21 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 = 6/12.21 = 0.4916 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 = 6 − 0.4916·3 = 4.525 V

I_R2 = V_A/R₂ = 4.525/25 = 0.181 A

答え

I_R2 = 0.181 A

5.RC・RL 過渡現象

答え: v_L = 3.954 V

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 = 150 mH / 100 Ω = 1.5 ms

i(∞) = V_s/R = 15/100 = 0.15 A

コイルの電圧

t = 0 では電源電圧がすべてコイルにかかり、その後 0 まで減衰します。

v_L(t) = V_s·e^−t/τ = 15·e^−2/1.5 = 3.954 V

答え

v_L = 3.954 V

6.RC・RL 過渡現象

答え: v_C = 19.61 V

初期値、最終値、時定数

コンデンサの電圧は急変できないので、蓄えた値から始まり、電源電圧へ向かいます。

v_C(0) = 10 V, v_C(∞) = V_s = 24 V

τ = R·C = 2.2 kΩ · 47 µF = 103.4 ms

v_C(t) = 24 + (10 − 24)·e^−t/τ

指定時刻の電圧

v_C(120) = 24 + (−14)·e^−120/103.4 = 19.61 V

答え

v_C = 19.61 V

7.磁場と電磁誘導

答え: ε = 100 mV

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)。

1 巻きあたりの磁束の変化

ΔΦ = (0.85 − 0.05)·0.001 = 0.0008 Wb

平均起電力

ε = NΔΦ/Δt = 25·0.0008/0.2 = 0.1 V

答え

ε = 100 mV

8.磁場と電磁誘導

答え: r = 1.037 cm

磁気力：磁場 B の中で電流 I が流れる直線導線は F = BIL·sin θ の力を受け、動く電荷は F = |q|vB·sin θ の力を受けます。θ は電流（または速度）と B のなす角です。力は両方に垂直です：右手の指を I または v の向きにそろえ、B の方へ曲げると、親指が正電荷にとっての F の向きを示します。負電荷では逆向きです。F は v に垂直なので、一様な磁場を横切って動く電荷は円運動をします：|q|vB = mv²/r から r = mv/(|q|B)、周期 T = 2πm/(|q|B) が得られ、周期は速さによりません。平行な 2 本の導線は、電流が同じ向きなら引き合います：F/L = μ₀I₁I₂/(2πd)。

選ばれる速さ

曲がらない：電気力 qE が磁気力 qvB とつり合います。

v = E/B₁ = 2 × 10⁴/0.2 = 100000 m/s

第 2 の磁場での半径

r = mv/(|q|B₂) = 0.01037 m = 1.037 cm

答え

r = 1.037 cm

9.交流インピーダンスとフェーザ

答え: φ = −19.54 °

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

ω = 2πf = 2π·100 = 628.3 rad/s

X_L = ωL = 628.3·0.02 = 12.57 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(628.3·47·10⁻⁶) = 33.86 Ω

インピーダンス

直列ではインピーダンスを複素数として足します：Z = R + j(X_L − X_C)。

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(60² + (−21.3)²) = 63.67 Ω

位相角

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(−21.3/60) = −19.54°

答え

φ = −19.54°

10.交流インピーダンスとフェーザ

答え: V_C = 11.98 V

リアクタンス

ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s

X_L = ωL = 377·0.25 = 94.25 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(377·4.7·10⁻⁶) = 564.4 Ω

インピーダンス

直列ではインピーダンスを複素数として足します：Z = R + j(X_L − X_C)。

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(30² + (−470.1)²) = 471.1 Ω

電流

直列回路ではすべての素子に同じ電流が流れます。

I = V/|Z| = 10/471.1 = 0.02123 A

コンデンサの電圧

V_C = I·X_C = 0.02123·564.4 = 11.98 V

答え

V_C = 11.98 V

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