H26 理論 問1(コンデンサ)




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H26 理論 問1(コンデンサ)

問 1
極板A-B間が比誘電率 \(ε_r\)=2 の誘電体で満たされた平行平板コンデンサがある。

極板間の距離はd [m] 、極板間の直流電圧は \(V_o\) [V] である。

極板と同じ形状と大きさをもち、厚さが \(\cfrac{d}{4}\) [m] の帯電していない導体を図に示す位置P-Q間に極板と平行に挿入したとき、導体の電位の値 [V] として、正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

ただし、コンデンサの端効果は無視できるものとする。


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解 答

問題文にあるコンデンサは、途中に導体が挿入されているので、2つのコンデンサが直列になっていることになります。

コンデンサの静電容量 C [F] の式は、次のようになります。

\(C=ε\cfrac{S}{d}\)

ε:誘電率[F/m] S:電極の面積[m2] d:電極間の距離[m]

ここで、電極の面積を S [m2]、\(ε=ε_0ε_r\) として、\(C_1\) と \(C_2\) を求めると

\(ε_0\):真空の誘電率[F/m]

\(C_1=ε_0ε_r\cfrac{S}{\cfrac{d}{2}}=2ε_0\cfrac{2S}{d}=\cfrac{4ε_0S}{d}\)

\(C_2=ε_0ε_r\cfrac{S}{\cfrac{d}{4}}=2ε_0\cfrac{4S}{d}=\cfrac{8ε_0S}{d}\)

直列接続のコンデンサに蓄えられる電荷は等しい。

コンデンサの合成静電容量を C とすると、和分の積から

\(C=\cfrac{C_1C_2}{C_1+C_2}\) [F]

電荷と静電容量の関係式 Q=CV に代入すると

\(Q=\cfrac{C_1C_2}{C_1+C_2}V_0\)

また、

\(V_2=\cfrac{Q}{C_2}\) となります。

問題に当てはめて数値を代入する。

\(V_2=\cfrac{C_1C_2}{C_2(C_1+C_2)}V_0=\cfrac{C_1}{C_1+C_2}V_0\) [V]

\(V_2=\cfrac{\cfrac{4ε_0SV_0}{d}}{\cfrac{4ε_0S}{d}+\cfrac{8ε_0S}{d}}=\cfrac{4V_0}{12}=\cfrac{V_0}{3}\)

正解は(4)

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