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
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。
1公式と解法
抵抗の直列・並列
- 抵抗の直列接続
- Req = R1 + R2 + …
- 抵抗の並列接続
- 1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
- 2 つの並列接続
- Req = 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；vC は急変しない
- 直流でのインダクタ
- 短絡；iL 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, Erms = 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
- ZR = R, ZL = jωL, ZC = 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：XL = ωL、XC = 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 µC と +6 µC の電荷が 10 cm 離れている。両者を結ぶ線上で、+2 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 = +2 µCq2 = +6 µCd = 10 cm
x = cm
2.クーロンの法則と電場むずかしい
電子が 1 × 10⁷ m/s で、2 枚の平行な極板の間の一様な電場に極板と平行に入射する。極板の長さは 6 cm、極板間の電場は 1200 N/C である。電子の電荷は 1.602 × 10⁻¹⁹ C、質量は 9.109 × 10⁻³¹ kg とし、重力は無視する。極板を出るとき、電子は横方向にどれだけ y 偏向しているか。答えは mm で求めよ。
v₀ = 1 × 10⁷ m/sL = 6 cmE = 1200 N/Ce = 1.602 × 10⁻¹⁹ Cme = 9.109 × 10⁻³¹ kg
y = mm
3.抵抗の直列・並列ふつう
電源が供給し R1 を流れる電流 IR1 を求めよ。
V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
4.抵抗の直列・並列むずかしい
電源 V1 から見た合成抵抗 Req を求めよ。
V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩR4 = 30 ΩR5 = 2 ΩR6 = 25 Ω
Req = Ω
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 = 40 ms でコイルに蓄えられているエネルギー W を mJ で求めよ。
Vs = 15 VR = 10 ΩL = 150 mHt = 40 ms
W = mJ
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 5 V に充電されている。 t = 150 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。
Vs = 10 VR = 3.3 kΩC = 47 µFvC(0) = 5 Vt = 150 ms
vC = V
7.磁場と電磁誘導ふつう
長さ 100 cm の金属の棒が、紙面の奥向きの 0.4 T の一様な磁場の中で、2 本のレール上を 3 m/s で滑ります。レールは 8 Ω の抵抗でつながれており、棒とレールの抵抗は無視できます。棒を一定の速さで動かし続けるのに必要な力 F を求めてください（摩擦はありません）。
B = 0.4 TL = 100 cmv = 3 m/sR = 8 Ω
F = mN
8.磁場と電磁誘導むずかしい
自己インダクタンスが 100 mH と 20 mH の 2 つのコイルの結合係数は 0.2 です。1 つ目のコイルの電流は 1000 A/s の割合で変化します。2 つ目のコイルに誘導される起電力 ε を求めてください。
L1 = 100 mHL2 = 20 mHk = 0.2di/dt = 1000 A/s
ε = V
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、120 V（実効値）、500 Hz の電源に接続されている。 インピーダンスの大きさ |Z| を求めよ。
V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 20 ΩC = 47 µF
|Z| = Ω
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 120 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 VC を求めよ。
V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 4.7 µF
VC = V
3溶液
1.クーロンの法則と電場
答え: x = 3.66 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
2/x² = 6/(10 − x)²
(10 − x)/x = √(6/2) = 1.732
位置
x = 10/(1 + 1.732) = 3.66 cm
答え
x = 3.66 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: y = 3.799 mm
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.
極板間にいる時間
t = L/v₀ = 0.06/1 × 10⁷ = 6 × 10⁻⁹ s
横方向の加速度
a = e·E/m = 1.602 × 10⁻¹⁹·1200/9.109 × 10⁻³¹ = 2.11 × 10¹⁴ m/s²
たわみ
y = ½·a·t² = ½·2.11 × 10¹⁴·(6 × 10⁻⁹)² = 0.003799 m = 3.799 mm
答え
y = 3.799 mm
電子は電場の向きと逆に、正の極板の方へ押されます。
3.抵抗の直列・並列
答え: IR1 = 1.667 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 + 4 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 12·6/(12+6) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 5 + 4 = 9 Ω
電源からの電流
電源から見えるのは Req 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。
IR1 = V1/Req = 15/9 = 1.667 A
答え
IR1 = 1.667 A
4.抵抗の直列・並列
答え: Req = 7.311 Ω
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。
R5 + R6 = 2 + 25 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 14.21 Ω
R3 + 14.21 = 19.21 Ω
R2 ∥ 19.21 = 3.311 Ω
Req = R1 + 3.311 = 4 + 3.311 = 7.311 Ω
答え
Req = 7.311 Ω
5.RC・RL 過渡現象
答え: W = 146.1 mJ
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 / 10 Ω = 15 ms
i(∞) = Vs/R = 15/10 = 1.5 A
指定時刻の電流
i(t) = 1.5·(1 − e−40/15) = 1.396 A
蓄積エネルギー
W = ½·L·i² = ½·150·1.396² = 146.1 mJ
答え
W = 146.1 mJ
6.RC・RL 過渡現象
答え: vC = 8.099 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。
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。
vC(0) = 5 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 3.3 kΩ · 47 µF = 155.1 ms
vC(t) = 10 + (5 − 10)·e−t/τ
指定時刻の電圧
vC(150) = 10 + (−5)·e−150/155.1 = 8.099 V
答え
vC = 8.099 V
7.磁場と電磁誘導
答え: F = 60 mN
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)。
運動起電力
ε = BLv = 0.4·1·3 = 1.2 V
電流
I = ε/R = 1.2/8 = 0.15 A
制動力
レンツの法則：誘導電流に働く力は運動を妨げます。
F = BIL = 0.4·0.15·1 = 0.06 N
答え
F = 60 mN
8.磁場と電磁誘導
答え: ε = 8.944 V
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)。
相互インダクタンス
M = 0.2·√(100·20) = 8.944 mH
誘導起電力
ε = M·di/dt = 0.008944·1000 = 8.944 V
答え
ε = 8.944 V
9.交流インピーダンスとフェーザ
答え: |Z| = 6.415 Ω
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
XC = 1/(ωC) = 1/(2π·500·47·10⁻⁶) = 6.773 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。
IR = V/R = 120/20 = 6 A
IX = V/XC = 120/6.773 = 17.72 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 = √(IR² + IX²) = √(6² + 17.72²) = 18.71 A
インピーダンス
|Z| = V/I = 120/18.71 = 6.415 Ω
答え
|Z| = 6.415 Ω
10.交流インピーダンスとフェーザ
答え: VC = 124 V
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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0.05 = 18.85 Ω
XC = 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(XL − XC)。
|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (−545.5)²) = 546.4 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| = 120/546.4 = 0.2196 A
コンデンサの電圧
VC = I·XC = 0.2196·564.4 = 124 V
答え
VC = 124 V
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