電験三種 令和6年度(2024) 下期 理論 問1 過去問解説
図のように,電極面積 $0.1\,\mathrm{m^2}$,電極間隔6 mmの平行平板コンデンサに,比誘電率 $\varepsilon_1 = 2$,厚さ2 mm及び比誘電率 $\varepsilon_2 = 4$,厚さ4 mmの2種類の誘電体が電極と平行に挿入されている。このコンデンサに12 Vの直流電圧を印加したとき,蓄えられる電荷の値[C]として,最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。ただし,真空の誘電率 $\varepsilon_0 = 8.85 \times 10^{-12}$ F/mとし,コンデンサの端効果は無視するものとする。

- (1) $5.3 \times 10^{-9}$
- (2) $7.8 \times 10^{-9}$
- (3) $9.4 \times 10^{-9}$
- (4) $2.1 \times 10^{-8}$
- (5) $4.5 \times 10^{-8}$
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正解は(1)
使う公式
平行板コンデンサ $C = \dfrac{\varepsilon_0 \varepsilon_{\mathrm{r}} S}{d}$(C:静電容量[F]、$\varepsilon_{\mathrm{r}}$:比誘電率、S:電極の面積[m²]、d:厚さ[m])
直列の合成 $C = \dfrac{C_1 C_2}{C_1 + C_2}$
電荷 $Q = CV$(Q:電荷[C]、V:電圧[V])
解説
【考え方】誘電体(電気を通さない材料)が上下に重なっています。境目で切り分けると、2つのコンデンサが直列につながった形です。
■1 2つのコンデンサに分ける
上は厚さ 2 mm=0.002 m で $\varepsilon_1 = 2$ です。
下は厚さ 4 mm=0.004 m で $\varepsilon_2 = 4$ です。
$C_1 = \dfrac{8.85 \times 10^{-12} \times 2 \times 0.1}{0.002}$
$= 8.85 \times 10^{-10}\,\mathrm{F}$
$C_2 = \dfrac{8.85 \times 10^{-12} \times 4 \times 0.1}{0.004}$
$= 8.85 \times 10^{-10}\,\mathrm{F}$
■2 直列の合成と電荷
同じ大きさの2つの直列なので、合成は半分になります。
$C = \dfrac{8.85 \times 10^{-10}}{2}$
$= 4.425 \times 10^{-10}\,\mathrm{F}$
$Q = CV = 4.425 \times 10^{-10} \times 12$
$\fallingdotseq 5.3 \times 10^{-9}\,\mathrm{C}$
答えは(1)ピヨ。
上は厚さ 2 mm=0.002 m で $\varepsilon_1 = 2$ です。
下は厚さ 4 mm=0.004 m で $\varepsilon_2 = 4$ です。
$C_1 = \dfrac{8.85 \times 10^{-12} \times 2 \times 0.1}{0.002}$
$= 8.85 \times 10^{-10}\,\mathrm{F}$
$C_2 = \dfrac{8.85 \times 10^{-12} \times 4 \times 0.1}{0.004}$
$= 8.85 \times 10^{-10}\,\mathrm{F}$
■2 直列の合成と電荷
同じ大きさの2つの直列なので、合成は半分になります。
$C = \dfrac{8.85 \times 10^{-10}}{2}$
$= 4.425 \times 10^{-10}\,\mathrm{F}$
$Q = CV = 4.425 \times 10^{-10} \times 12$
$\fallingdotseq 5.3 \times 10^{-9}\,\mathrm{C}$
答えは(1)ピヨ。
出典:令和6年度(2024) 下期 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1