電験三種 令和4年度(2022) 下期 理論 問17(a) 過去問解説

問17(a) 《静電気(クーロンの法則)》
(選択問題:問17または問18のどちらか1問を解く) 大きさが等しい二つの導体球A,Bがある。両導体球に電荷が蓄えられている場合,両導体球の間に働く力は,導体球に蓄えられている電荷の積に比例し,導体球間の距離の2乗に反比例する。次の(a)及び(b)の問に答えよ。 ただし,両導体球の大きさは0.3 mに比べて極めて小さいものとする。 (a) この場合の比例定数を求める目的で,導体球Aに $+2 \times 10^{-8}$ C,導体球Bに $+3 \times 10^{-8}$ Cの電荷を与えて,導体球の中心間距離で0.3 m隔てて両導体球を置いたところ,両導体球間に $6 \times 10^{-5}$ Nの反発力が働いた。この結果から求められる比例定数[N・m²/C²]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,導体球A,Bの初期電荷は零とする。
  1. (1) $3 \times 10^{9}$
  2. (2) $6 \times 10^{9}$
  3. (3) $8 \times 10^{9}$
  4. (4) $9 \times 10^{9}$
  5. (5) $15 \times 10^{9}$
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正解は(4)
使う公式
クーロンの法則 $F = k\dfrac{Q_1 Q_2}{r^2}$($F$:力[N]、$k$:比例定数[N・m²/C²]、$Q_1, Q_2$:電荷[C]、$r$:距離[m])
解説
【考え方】クーロンの法則の式を k について解いて、数字を入れます。 ■1 数字を整理する $Q_1 = 2 \times 10^{-8}\,\mathrm{C}$ $Q_2 = 3 \times 10^{-8}\,\mathrm{C}$ $r = 0.3\,\mathrm{m}$ $F = 6 \times 10^{-5}\,\mathrm{N}$ ■2 式を k について解く $k = \dfrac{Fr^2}{Q_1 Q_2}$ ■3 分子を計算する $Fr^2 = 6 \times 10^{-5} \times 0.3^2$ $= 6 \times 10^{-5} \times 0.09$ $= 5.4 \times 10^{-6}$ ■4 分母を計算する $Q_1 Q_2 = 2 \times 10^{-8} \times 3 \times 10^{-8} = 6 \times 10^{-16}$ ■5 割り算する $k = \dfrac{5.4 \times 10^{-6}}{6 \times 10^{-16}}$ $= 0.9 \times 10^{10}$ $= 9 \times 10^{9}\,\mathrm{N \cdot m^2/C^2}$ 答えは(4)ピヨ。
出典:令和4年度(2022) 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17(a)