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 つの点電荷が一直線上にある：左に −6 µC、そこから 10 cm 右に +3 µC、その間で左の電荷から 6 cm の位置に +4 µC。中央の電荷に働く電気力の合力の大きさ F を求めよ。 Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

q_L = −6 µCq_R = +3 µCq_M = +4 µCr_L = 6 cmr_R = 4 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 = 10 µC はそこから一方の辺に沿って 8 cm の位置に、q₂ = 10 µC はもう一方の辺に沿って 10 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 = 10 µCq₂ = 10 µCq₃ = 3 µCr₁₃ = 8 cmr₂₃ = 10 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 = 18 VR₁ = 10 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 2 Ω

I_R1 = 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 R_eq を求めよ。

V₁ = 36 VR₁ = 8 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 10 ΩR₄ = 15 ΩR₅ = 6 ΩR₆ = 15 Ω

R_eq = 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。スイッチを閉じてからどれだけ後に、電流が最終値の 99% に達するか。t を求めよ。

V_s = 6 VR = 10 ΩL = 150 mH

t = ms

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 = 20 ms におけるコンデンサの電圧 v_C を求めよ。

V_s = 5 VR = 2.2 kΩC = 33 µFv_C(0) = 10 Vt = 20 ms

v_C = V

7.磁場と電磁誘導ふつう

10 巻き、面積 10 cm²、抵抗 10 Ω のコイルが閉回路をつくっています。コイルに垂直な一様な磁場が、20 ms で 0.2 T から 0.7 T まで一定の割合で増加します。平均誘導電流 I を求めてください。

N = 10A = 10 cm²B: 0.2 T → 0.7 TΔt = 20 msR = 10 Ω

I = mA

8.磁場と電磁誘導むずかしい

500 mH のインダクタの電流が、5 ms で 2 A から 3 A まで一定の割合で変化します。自己誘導起電力の大きさ ε を求めてください。

L = 500 mH2 A → 3 AΔt = 5 ms

ε = V

9.交流インピーダンスとフェーザふつう

直列 RLC 回路を 120 V（実効値）、200 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 = 120 V (rms)f = 200 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 1 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 = 1 Ω、L = 20 mH、C = 10 µF である。共振時の Q 値（尖鋭度）Q を求めよ。

R = 1 ΩL = 20 mHC = 10 µF

Q =

3溶液

1.クーロンの法則と電場

答え: F = 127.4 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.

各電荷からの力

右向きを正とします。

F_L = −k·6·4 × 10⁻¹²/0.06² = −59.93 N

F_R = −k·3·4 × 10⁻¹²/0.04² = −67.42 N

合力

F = −59.93 + (−67.42) = −127.4 N → |F| = 127.4 N

答え

F = 127.4 N

合力は左向きです。

2.クーロンの法則と電場

答え: F = 50.03 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·10·3 × 10⁻¹²/0.08² = 42.14 N

F₂ = k·10·3 × 10⁻¹²/0.1² = 26.97 N

ベクトル和

F = √(42.14² + 26.97²) = 50.03 N

答え

F = 50.03 N

3.抵抗の直列・並列

答え: I_R1 = 1.26 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 = 4 + 2 = 6 Ω

R₂ ∥ 6 = 15·6/(15+6) = 4.286 Ω

R_eq = R₁ + 4.286 = 10 + 4.286 = 14.29 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 = 18/14.29 = 1.26 A

答え

I_R1 = 1.26 A

4.抵抗の直列・並列

答え: R_eq = 13.61 Ω

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 = 6 + 15 = 21 Ω

R₄ ∥ 21 = 8.75 Ω

R₃ + 8.75 = 18.75 Ω

R₂ ∥ 18.75 = 5.607 Ω

R_eq = R₁ + 5.607 = 8 + 5.607 = 13.61 Ω

答え

R_eq = 13.61 Ω

5.RC・RL 過渡現象

答え: t = 69.08 ms

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(∞) = V_s/R = 6/10 = 0.6 A

時間について解く

0.99 = 1 − e^−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.99)

t = −15·ln(0.01) = 69.08 ms

答え

t = 69.08 ms

6.RC・RL 過渡現象

答え: v_C = 8.796 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 = 5 V

τ = R·C = 2.2 kΩ · 33 µF = 72.6 ms

v_C(t) = 5 + (10 − 5)·e^−t/τ

指定時刻の電圧

v_C(20) = 5 + (5)·e^−20/72.6 = 8.796 V

答え

v_C = 8.796 V

7.磁場と電磁誘導

答え: I = 25 mA

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 = (0.7 − 0.2)·0.001 = 0.0005 Wb

平均起電力

ε = NΔΦ/Δt = 10·0.0005/0.02 = 0.25 V

電流

I = ε/R = 0.25/10 = 0.025 A

答え

I = 25 mA

8.磁場と電磁誘導

答え: ε = 100 V

自己誘導起電力

起電力は電流の変化を妨げる（レンツ）ので、符号は ΔI と逆です。大きさは L·|ΔI|/Δt です。

ε = L·ΔI/Δt = 0.5·1/0.005 = 100 V

答え

ε = 100 V

9.交流インピーダンスとフェーザ

答え: φ = −81.51 °

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·200 = 1257 rad/s

X_L = ωL = 1257·0.1 = 125.7 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(1257·1·10⁻⁶) = 795.8 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) = √(100² + (−670.1)²) = 677.5 Ω

位相角

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(−670.1/100) = −81.51°

答え

φ = −81.51°

10.交流インピーダンスとフェーザ

答え: Q = 44.72

共振周波数

f₀ = 1/(2π·√(0.02·10·10⁻⁶)) = 355.9 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) = (1/1)·√(0.02/(10·10⁻⁶)) = 44.72

答え

Q = 44.72

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