直流の定常状態では、コイルは短絡(電圧 0)、コンデンサは開放(電流 0)として扱える。図では、直流電源 E の上側端子から L₁ と R₁ の直列が右の接続点に至り、その接続点から L₂ と R₂ の直列を通って電源の下側端子に戻る。C₁ は L₁+R₁ の直列に並列、C₂ は L₂+R₂ の直列に並列である。
令和6年度 下期 第三種電気主任技術者 理論 問5
R₁ = 20 Ω、R₂ = 30 Ω の抵抗、インダクタンス L₁ = 20 mH、L₂ = 40 mH のコイル及び静電容量 C₁ = 400 μF、C₂ = 600 μF のコンデンサからなる図のような直並列回路がある。直流電圧 E = 100 V を加えたとき、定常状態において L₁、L₂、C₁ 及び C₂ に蓄えられるエネルギーの総和の値[J]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
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解説
結論 → 詳細 → 補足 の 3 層構成
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定常電流は I = E/(R₁+R₂) = 100/(20+30) = 2 A。
補足Layer 3展開閉じる
コイルのエネルギー:
L₁: ½·L₁·I² = ½ × 0.020 × 2² = 0.04 J
L₂: ½·L₂·I² = ½ × 0.040 × 2² = 0.08 J
コンデンサの電圧:
C₁ は L₁+R₁ に並列で、L₁ の電圧が 0 なので、C₁ の電圧は R₁ の電圧 V₁ = I·R₁ = 2 × 20 = 40 V。
C₂ は L₂+R₂ に並列で、L₂ の電圧が 0 なので、C₂ の電圧は R₂ の電圧 V₂ = I·R₂ = 2 × 30 = 60 V。
コンデンサのエネルギー:
C₁: ½ × 400×10⁻⁶ × 40² = 0.32 J
C₂: ½ × 600×10⁻⁶ × 60² = 1.08 J
総和 = 0.04 + 0.08 + 0.32 + 1.08 = 1.52 J。よって正答は (5)。
各選択肢の解説
- (1)
0.12
0.12 J は L₁ と L₂ のコイルのエネルギー(0.04 + 0.08)だけを足した値で、コンデンサのエネルギー(0.32 J と 1.08 J)が含まれていない。総和は 1.52 J なので誤り。
- (2)
1.20
誤り。1.20 Jは、正しいL₁・L₂の合計0.12 JにC₂の1.08 Jだけを加えてC₁の0.32 Jを落とした値に一致する。またC₁とC₂の電圧を逆に当ててコイル0.12 Jを落とした0.72+0.48 Jにも一致する。どちらの計算でも全4素子の正しい総和1.52 Jではない。
- (3)
1.32
誤り。C₁とC₂の印加電圧を取り違え、C₁に60 V、C₂に40 Vを当てると、C₁のエネルギーは0.72 J、C₂は0.48 Jとなる。これにコイルの0.12 Jを加えると1.32 Jとなるが、原図ではC₁はL₁+R₁と並列で40 V、C₂はL₂+R₂と並列で60 Vだから電圧の割当てが逆である。
- (4)
1.40
1.40 J は C₁ の 0.32 J と C₂ の 1.08 J のコンデンサ 2 つの和に一致する。L₁ と L₂ にも定常電流 2 A が流れて計 0.12 J を蓄えるので、これを含めた 1.52 J が総和であり誤り。
- (5)
1.52
定常電流 2 A、C₁ の電圧 40 V、C₂ の電圧 60 V から、L₁ = 0.04 J、L₂ = 0.08 J、C₁ = 0.32 J、C₂ = 1.08 J となり、総和は 1.52 J。正しい。
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