電験三種 令和6年度(2024) 上期 理論 問12 過去問解説

問12 《電子の運動(電界で加速される電子)》
真空中に置かれた平行電極板間に,直流電圧 $V$[V]を加えて平等電界 $E$[V/m]を作り,この陰極板に電子を置いた場合,初速零で出発した電子が陽極板に到達したときの速さは,$v$[m/s]となった。このときの電子の運動エネルギーは,電子が陽極板に到達するまでに得るエネルギーに等しいと考えられ,次の式が成立する。 $\dfrac{1}{2}mv^2 =$ (ア) ただし,電子の電気素量を $e$[C],電子の質量を $m$[kg]とする。 したがって,この式から電子の速さ $v$[m/s]は, (イ) で表される。 上記の記述中の空白箇所(ア)及び(イ)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。
  1. (1) (ア) $eV$ (イ) $\sqrt{\dfrac{4eV}{m}}$
  2. (2) (ア) $eV$ (イ) $\sqrt{\dfrac{2eV}{m}}$
  3. (3) (ア) $2eV$ (イ) $\sqrt{\dfrac{4eV}{m}}$
  4. (4) (ア) $eE$ (イ) $\sqrt{\dfrac{2eE}{m}}$
  5. (5) (ア) $eE$ (イ) $\sqrt{\dfrac{4eE}{m}}$
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正解は(2)
使う公式
電界から得るエネルギー $W = eV$($e$:電気素量[C]、$V$:電圧[V]) 運動エネルギー $W = \dfrac{1}{2}mv^2$($m$:質量[kg]、$v$:速さ[m/s])
解説
【考え方】電子が電圧 V の間を動いてもらうエネルギー $eV$ が、全部、運動エネルギーになります。 ■1 (ア) もらうエネルギー 電荷 $e$ が電圧 $V$ の間を動くと、$eV$ のエネルギーをもらいます。 初速は0なので、これがそのまま運動エネルギーになります。 $\dfrac{1}{2}mv^2 = eV$ → (ア) $eV$ $eE$ は「電荷 × 電界」で、電子にはたらく力[N]です。エネルギーではありません。 ■2 (イ) 速さを求める 両辺を2倍します。 $mv^2 = 2eV$ 両辺を m で割ります。 $v^2 = \dfrac{2eV}{m}$ 平方根をとります。 $v = \sqrt{\dfrac{2eV}{m}}$ → (イ) $\sqrt{\dfrac{2eV}{m}}$ 答えは(2)ピヨ。
出典:令和6年度(2024) 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12