電験三種 令和4年度(2022) 上期 理論 問17(b) 過去問解説

問17(b) 《静電気(直列の合成容量)》
(選択問題:問17または問18のどちらか1問を解く) 図のように直列に接続された二つの平行平板コンデンサに120 Vの電圧が加わっている。コンデンサ $C_1$ の金属板間は真空であり,コンデンサ $C_2$ の金属板間には比誘電率 $\varepsilon_{\mathrm{r}}$ の誘電体が挿入されている。コンデンサ $C_1$,$C_2$ の金属板間の距離は等しく,$C_1$ の金属板の面積は $C_2$ の2倍である。このとき,コンデンサ $C_1$ の両端の電圧が80 Vであった。次の(a)及び(b)の問に答えよ。 ただし,コンデンサの端効果は無視できるものとする。 (b) $C_1$ の静電容量が30 $\mu$Fのとき,$C_1$ と $C_2$ の合成容量の値[$\mu$F]として,最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
問17(b)の図
  1. (1) 10
  2. (2) 20
  3. (3) 30
  4. (4) 40
  5. (5) 50
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正解は(2)
使う公式
電気量 $Q = CV$(Q:電気量[C]、C:静電容量[F]、V:電圧[V]) 直列の合成容量 $C = \dfrac{C_1 C_2}{C_1 + C_2}$(C:[F])
解説
【考え方】直列のコンデンサは、どちらにも同じ電気量 Q がたまります。そこから $C_2$ を出し、合成します。 ■1 数字を整理する 全体の電圧 120 V、$C_1$ の電圧 80 V $C_2$ の電圧 $120 - 80 = 40\,\mathrm{V}$ $C_1 = 30\,\mu\mathrm{F}$ ■2 $C_2$ を求める 直列なので電気量が同じです。 $C_1 \times 80 = C_2 \times 40$ $C_2 = \dfrac{80}{40} \times C_1 = 2 \times 30 = 60\,\mu\mathrm{F}$ (電圧が半分のほうは、容量が2倍です。) ■3 合成容量を求める $C = \dfrac{30 \times 60}{30 + 60} = \dfrac{1800}{90} = 20\,\mu\mathrm{F}$ 答えは(2)ピヨ。
出典:令和4年度(2022) 上期 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17(b)