電験三種 令和7年度(2025) 上期 理論 問17(b) 過去問解説

問17(b) 《静電気(力がつり合う位置)》
(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,導体球の中心間距離の2乗に反比例する。次の(a)及び(b)の問に答えよ。 (b) 上記(a)の導体球A,Bを,電荷を保持したままで0.3 mの中心間距離を隔てて固定した。ここで,導体球A,Bと大きさが等しく電荷を持たない導体球Cを用意し,導体球Cをまず導体球Aに接触させ,次に導体球Bに接触させた。この導体球Cを導体球Aと導体球Bの間の直線上に置くとき,導体球Cが受ける力が釣り合う位置を導体球Aとの中心間距離で表したとき,その距離の値[m]として,最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
  1. (1) 0.062
  2. (2) 0.095
  3. (3) 0.105
  4. (4) 0.115
  5. (5) 0.124
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正解は(5)
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、Q:電荷[C]、r:中心間の距離[m]) 同じ大きさの導体球の接触 接触させると、2つの電荷の合計が半分ずつに分かれる
解説
【考え方】まず、接触させたあとの電荷を求めます。次に、C がAとBから受ける力が等しくなる位置を探します。 ■1 接触で電荷が分かれる 解説の図 C を A に触れると、A の電荷 $4 \times 10^{-8}$ C が半分ずつになります。 次に B に触れると、C と B の合計 $(2 + 6) \times 10^{-8}$ C が半分ずつになります。 A:$2 \times 10^{-8}\,\mathrm{C}$ B:$4 \times 10^{-8}\,\mathrm{C}$ C:$4 \times 10^{-8}\,\mathrm{C}$ ■2 力がつり合う式 解説の図 C は A からも B からも押されます。2つの力が等しくなる所が、つり合う位置です。 A から C までの距離を x [m] とします。B から C までは $(0.3 - x)$ m です。 k と C の電荷と $10^{-8}$ は両方に共通なので、消えます。 A の電荷 2、B の電荷 4 だけが残ります。 $\dfrac{2}{x^2} = \dfrac{4}{(0.3 - x)^2}$ ■3 x を求める 式を入れかえると $(0.3 - x)^2 = 2x^2$ 両辺の平方根(ルート)をとると、$0.3 - x = \sqrt{2}\,x$ です。 $(1 + \sqrt{2})x = 0.3$ $x = \dfrac{0.3}{1 + \sqrt{2}} = \dfrac{0.3}{2.414} \fallingdotseq 0.124\,\mathrm{m}$ 答えは(5)ピヨ。
出典:令和7年度(2025) 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)