電験三種 令和3年度(2021) 理論 問1 過去問解説

問1 《静電気(二つの誘電体を並べた平行板コンデンサ)》
次の文章は,平行板コンデンサに関する記述である。 図のように,同じ寸法の直方体で誘電率の異なる二つの誘電体(比誘電率 $\varepsilon_{\mathrm{r1}}$ の誘電体1と比誘電率 $\varepsilon_{\mathrm{r2}}$ の誘電体2)が平行板コンデンサに充填されている。極板間は一定の電圧 $V$[V]に保たれ,極板Aと極板Bにはそれぞれ$+Q$[C]と$-Q$[C]($Q \gt 0$)の電荷が蓄えられている。誘電体1と誘電体2は平面で接しており,その境界面は極板に対して垂直である。ただし,端効果は無視できるものとする。 この平行板コンデンサにおいて,極板A,Bに平行な誘電体1,誘電体2の断面をそれぞれ面S$_1$,面S$_2$(面S$_1$と面S$_2$の断面積は等しい)とすると,面S$_1$を貫く電気力線の総数(任意の点の電気力線の密度は,その点での電界の大きさを表す)は,面S$_2$を貫く電気力線の総数の(ア)倍である。面S$_1$を貫く電束の総数は面S$_2$を貫く電束の総数の(イ)倍であり,面S$_1$と面S$_2$を貫く電束の数の総和は(ウ)である。 上記の記述中の空白箇所(ア)〜(ウ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
問1の図
  1. (1) (ア)1,(イ)$\dfrac{\varepsilon_{\mathrm{r1}}}{\varepsilon_{\mathrm{r2}}}$,(ウ)$Q$
  2. (2) (ア)1,(イ)$\dfrac{\varepsilon_{\mathrm{r1}}}{\varepsilon_{\mathrm{r2}}}$,(ウ)$\dfrac{Q}{\varepsilon_{\mathrm{r1}}} + \dfrac{Q}{\varepsilon_{\mathrm{r2}}}$
  3. (3) (ア)1,(イ)$\dfrac{\varepsilon_{\mathrm{r2}}}{\varepsilon_{\mathrm{r1}}}$,(ウ)$\dfrac{Q}{\varepsilon_{\mathrm{r1}}} + \dfrac{Q}{\varepsilon_{\mathrm{r2}}}$
  4. (4) (ア)$\dfrac{\varepsilon_{\mathrm{r2}}}{\varepsilon_{\mathrm{r1}}}$,(イ)1,(ウ)$\dfrac{Q}{\varepsilon_{\mathrm{r1}}} + \dfrac{Q}{\varepsilon_{\mathrm{r2}}}$
  5. (5) (ア)$\dfrac{\varepsilon_{\mathrm{r2}}}{\varepsilon_{\mathrm{r1}}}$,(イ)1,(ウ)$Q$
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正解は(1)
使う公式
電界 $E = \dfrac{V}{d}$(V:電圧[V]、d:極板の間かく[m]) 電束密度 $D = \varepsilon E$(ε:誘電率)
解説
【考え方】2つの誘電体は、同じ極板にはさまれた「並び」です。電圧 V も間かく d も同じなので、電界が同じになります。 ■1 (ア) 電気力線の数 かかる電圧 V も間かく d も同じです。 だから電界 $E = \dfrac{V}{d}$ は同じで、電気力線の数は同じです。→ (ア) 1 ■2 (イ) 電束の数 電束密度は $D = \varepsilon E$ なので、E が同じなら、電束の数は誘電率に比例します。 比は $\dfrac{\varepsilon_{\mathrm{r1}}}{\varepsilon_{\mathrm{r2}}}$ 倍です。→ (イ) $\dfrac{\varepsilon_{\mathrm{r1}}}{\varepsilon_{\mathrm{r2}}}$ ■3 (ウ) 電束の合計 電束は電荷から出る線で、極板の電荷 Q と同じ数だけ出ます。合計は Q です。→ (ウ) $Q$ 答えは(1)ピヨ。
出典:令和3年度(2021) 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