電験三種 平成24年度(2012) 理論 問2 過去問解説
極板A-B間が誘電率 $\varepsilon_0$[F/m]の空気で満たされている平行平板コンデンサの空気ギャップ長を $d$[m],静電容量を $C_0$[F]とし,極板間の直流電圧を $V_0$[V]とする。極板と同じ形状と面積を持ち,厚さが $\dfrac{d}{4}$[m],誘電率 $\varepsilon_1$[F/m]の固体誘電体($\varepsilon_1 \gt \varepsilon_0$)を図に示す位置P-Q間に極板と平行に挿入すると,コンデンサ内の電位分布は変化し,静電容量は $C_1$[F]に変化した。このとき,誤っているものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
ただし,空気の誘電率を $\varepsilon_0$,コンデンサの端効果は無視できるものとし,直流電圧 $V_0$[V]は一定とする。

- (1) 位置Pの電位は,固体誘電体を挿入する前の値よりも低下する。
- (2) 位置Qの電位は,固体誘電体を挿入する前の値よりも上昇する。
- (3) 静電容量 $C_1$[F]は,$C_0$[F]よりも大きくなる。
- (4) 固体誘電体を導体に変えた場合,位置Pの電位は固体誘電体又は導体を挿入する前の値よりも上昇する。
- (5) 固体誘電体を導体に変えた場合の静電容量 $C_2$[F]は,$C_0$[F]よりも大きくなる。
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正解は(4)
使う公式
直列コンデンサの電圧の分かれ方 $V = \dfrac{Q}{C}$(Q が同じなので、C が大きい部分ほど電圧は小さい)
平行平板の静電容量 $C = \dfrac{\varepsilon S}{d}$(ε:誘電率[F/m]、S:極板の面積[m²]、d:すき間[m])
解説
【考え方】電位(その場所の電圧)は、A から B へ下がっていきます。誘電体や導体を入れると、どの部分に電圧が多くかかるかを考えます。
■1 挿入する前
極板 B は接地(0 V)、極板 A は $V_0$ です。
すき間は空気だけなので、電位はまっすぐ一定に下がります。
P は A から $\dfrac{d}{4}$ なので、電位は $\dfrac{3}{4}V_0$ です。
Q は A から $\dfrac{d}{2}$ なので、電位は $\dfrac{1}{2}V_0$ です。
■2 誘電体を入れたとき (1)(2)(3)
誘電体の部分は電気をためやすい(静電容量が大きい)ので、そこにかかる電圧は小さくなります。
そのぶん、空気の部分(A〜P と Q〜B)の電圧が大きくなります。
(1) A〜P の電圧が増えるので、P の電位は下がります。正しいです。
(2) Q〜B の電圧が増えるので、Q の電位は上がります。正しいです。
(3) 誘電率の大きいものを入れたので、静電容量は大きくなります。正しいです。
■3 導体に変えたとき (4)(5)
導体の中は電圧が0です。電圧 $V_0$ は、残りの空気 $\dfrac{3}{4}d$ だけにかかります。
A〜P は空気 $\dfrac{3}{4}d$ のうち $\dfrac{d}{4}$ なので、その $\dfrac{1}{3}$ の電圧がかかります。
$V_0 \times \dfrac{1}{3} = \dfrac{V_0}{3}$
P の電位は $V_0 - \dfrac{V_0}{3} = \dfrac{2}{3}V_0$ です。
前の $\dfrac{3}{4}V_0$ より下がります。
(4) 「上昇する」が誤りです。
(5) すき間が実質 $\dfrac{3}{4}d$ に短くなるので、静電容量は大きくなります。正しいです。
答えは(4)ピヨ。
出典:平成24年度(2012) 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2