電験三種 平成28年度(2016) 理論 問9 過去問解説
図のように,$R = 1\,\Omega$の抵抗,インダクタンス$L_1 = 0.4\,\mathrm{mH}$,$L_2 = 0.2\,\mathrm{mH}$のコイル,及び静電容量$C = 8\,\mu\mathrm{F}$のコンデンサからなる直並列回路がある。この回路に交流電圧$V = 100\,\mathrm{V}$を加えたとき,回路のインピーダンスが極めて小さくなる直列共振角周波数$\omega_1$の値[rad/s]及び回路のインピーダンスが極めて大きくなる並列共振角周波数$\omega_2$の値[rad/s]の組合せとして,最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

- (1) $\omega_1 = 2.5 \times 10^4$,$\omega_2 = 3.5 \times 10^3$
- (2) $\omega_1 = 2.5 \times 10^4$,$\omega_2 = 3.1 \times 10^4$
- (3) $\omega_1 = 3.5 \times 10^3$,$\omega_2 = 2.5 \times 10^4$
- (4) $\omega_1 = 3.1 \times 10^4$,$\omega_2 = 3.5 \times 10^3$
- (5) $\omega_1 = 3.1 \times 10^4$,$\omega_2 = 2.5 \times 10^4$
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正解は(5)
使う公式
リアクタンス コイル $\omega L$、コンデンサ $\dfrac{1}{\omega C}$(ω:角周波数[rad/s])
並列共振 $\omega = \dfrac{1}{\sqrt{LC}}$
解説
【考え方】インピーダンスがとても大きくなるのは、C と $L_2$ の並列部分の共振です。とても小さくなるのは、$L_1$ と並列部分のリアクタンスの合計が 0 のときです。
■1 並列共振 ω₂
$L_2 C = 0.2 \times 10^{-3} \times 8 \times 10^{-6}$
$= 1.6 \times 10^{-9}$
$\sqrt{1.6 \times 10^{-9}} = 4 \times 10^{-5}$
$\omega_2 = \dfrac{1}{\sqrt{L_2 C}} = \dfrac{1}{4 \times 10^{-5}}$
$= 2.5 \times 10^4\,\mathrm{rad/s}$
■2 直列共振 ω₁
並列は「流れやすさ(リアクタンスの逆数)」を引き算で合わせます(コイルとコンデンサは向きが反対のため)。
$\dfrac{1}{\omega L_2} - \omega C = \dfrac{1 - \omega^2 L_2 C}{\omega L_2}$
その逆数が、並列部分のリアクタンスです。
$X = \dfrac{\omega L_2}{1 - \omega^2 L_2 C}$
これと $\omega L_1$ の合計を 0 とおきます。
$\omega L_1 + \dfrac{\omega L_2}{1 - \omega^2 L_2 C} = 0$
両辺を ω でわり、$(1 - \omega^2 L_2 C)$ をかけます。
$L_1(1 - \omega^2 L_2 C) + L_2 = 0$
$L_1 + L_2 = \omega^2 L_1 L_2 C$
$\omega^2 = \dfrac{L_1 + L_2}{L_1 L_2 C}$
$L_1 + L_2 = 0.6 \times 10^{-3}\,\mathrm{H}$
$L_1 L_2 C = 0.4 \times 10^{-3} \times 0.2 \times 10^{-3} \times 8 \times 10^{-6}$
$= 0.64 \times 10^{-12}$
$\omega_1^2 = \dfrac{0.6 \times 10^{-3}}{0.64 \times 10^{-12}}$
$\fallingdotseq 9.38 \times 10^8$
$\omega_1 = \sqrt{9.38 \times 10^8} \fallingdotseq 3.1 \times 10^4\,\mathrm{rad/s}$
答えは(5)ピヨ。
$L_2 C = 0.2 \times 10^{-3} \times 8 \times 10^{-6}$
$= 1.6 \times 10^{-9}$
$\sqrt{1.6 \times 10^{-9}} = 4 \times 10^{-5}$
$\omega_2 = \dfrac{1}{\sqrt{L_2 C}} = \dfrac{1}{4 \times 10^{-5}}$
$= 2.5 \times 10^4\,\mathrm{rad/s}$
■2 直列共振 ω₁
並列は「流れやすさ(リアクタンスの逆数)」を引き算で合わせます(コイルとコンデンサは向きが反対のため)。
$\dfrac{1}{\omega L_2} - \omega C = \dfrac{1 - \omega^2 L_2 C}{\omega L_2}$
その逆数が、並列部分のリアクタンスです。
$X = \dfrac{\omega L_2}{1 - \omega^2 L_2 C}$
これと $\omega L_1$ の合計を 0 とおきます。
$\omega L_1 + \dfrac{\omega L_2}{1 - \omega^2 L_2 C} = 0$
両辺を ω でわり、$(1 - \omega^2 L_2 C)$ をかけます。
$L_1(1 - \omega^2 L_2 C) + L_2 = 0$
$L_1 + L_2 = \omega^2 L_1 L_2 C$
$\omega^2 = \dfrac{L_1 + L_2}{L_1 L_2 C}$
$L_1 + L_2 = 0.6 \times 10^{-3}\,\mathrm{H}$
$L_1 L_2 C = 0.4 \times 10^{-3} \times 0.2 \times 10^{-3} \times 8 \times 10^{-6}$
$= 0.64 \times 10^{-12}$
$\omega_1^2 = \dfrac{0.6 \times 10^{-3}}{0.64 \times 10^{-12}}$
$\fallingdotseq 9.38 \times 10^8$
$\omega_1 = \sqrt{9.38 \times 10^8} \fallingdotseq 3.1 \times 10^4\,\mathrm{rad/s}$
答えは(5)ピヨ。
出典:平成28年度(2016) 第三種電気主任技術者試験(電気技術者試験センター)理論 問9