x = d = 10⁻³ m のとき、S を閉じると二つのコンデンサは並列に電圧 V₀ = 1000 V で充電される。
令和6年度 下期 第三種電気主任技術者 理論 問17(a)
問17及び問18は選択問題であり,問17又は問18のどちらかを選んで解答すること。両方解答すると採点されません。
図のように,十分大きい平らな金属板で覆われた床と平板電極とで作られる空気コンデンサが二つ並列接続されている。二つの電極は床と平行であり,それらの面積は左側がA₁=10⁻³ m²,右側がA₂=10⁻² m²である。床と各電極の間隔は左側がd=10⁻³ mで固定,右側がx[m]で可変,直流電源電圧はV₀=1000 Vである。次の(a)及び(b)の問に答えよ。ただし,空気の誘電率をε=8.85×10⁻¹² F/mとし,静電容量を考える際にコンデンサの端効果は無視できるものとする。
(a) まず,右側の x [m] を d [m] と設定し,スイッチ S を一旦閉じてから開いた。このとき,二枚の電極に蓄えられる合計電荷 Q の値 [C] として,最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

選択肢
解説
結論 → 詳細 → 補足 の 3 層構成
展開閉じる
解説
結論 → 詳細 → 補足 の 3 層構成
詳細Layer 2展開閉じる
S を開いても、この電荷が二枚の電極に蓄えられたままになる。
左側: C₁ = εA₁/d = 8.85×10⁻¹² × 10⁻³ / 10⁻³ = 8.85×10⁻¹² F
右側: C₂ = εA₂/x = 8.85×10⁻¹² × 10⁻² / 10⁻³ = 8.85×10⁻¹¹ F
並列の合成容量: C = C₁ + C₂ = 9.735×10⁻¹¹ F
合計電荷: Q = C V₀ = 9.735×10⁻¹¹ × 1000 ≒ 9.7×10⁻⁸ C
よって(3)が正しい。
各選択肢の解説
- (1)
8.0×10⁻⁹
8.0×10⁻⁹ Cは二つのコンデンサを直列と誤読した場合の値に近い。直列ならC₁C₂/(C₁+C₂)≈8.05×10⁻¹² F、Q≈8.05×10⁻⁹ Cとなる。左側だけの電荷8.85×10⁻⁹ Cからもこの肢が最も近い。しかし原図の二つの電極は同じ導線でつながる並列なので,合成容量はC₁+C₂であり誤り。
- (2)
1.6×10⁻⁸
1.6×10⁻⁸ C は、計算した合計電荷 9.735×10⁻⁸ C の約 1/6 であり、一致しないため誤り。
- (3)
9.7×10⁻⁸
正しい。C₁ = 8.85×10⁻¹² F、C₂ = 8.85×10⁻¹¹ F で、並列合成容量は 9.735×10⁻¹¹ F。Q = 9.735×10⁻¹¹ × 1000 ≒ 9.7×10⁻⁸ C となる。
- (4)
1.9×10⁻⁷
1.9×10⁻⁷ C は、計算した Q = 9.735×10⁻⁸ C の約 2 倍であり、一致しないため誤り。
- (5)
1.6×10⁻⁶
1.6×10⁻⁶ C は、計算した Q = 9.735×10⁻⁸ C の約 16 倍であり、桁が異なるため誤り。
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