電験三種 平成25年度(2013) 理論 問7 過去問解説

問7 《交流回路(周波数を変えたときのRC直列回路の電流)》
4[Ω]の抵抗と静電容量が $C$[F]のコンデンサを直列に接続した $RC$ 回路がある。この $RC$ 回路に,周波数 50[Hz]の交流電圧 100[V]の電源を接続したところ,20[A]の電流が流れた。では,この $RC$ 回路に,周波数 60[Hz]の交流電圧 100[V]の電源を接続したとき,$RC$ 回路に流れる電流[A]の値として,最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
  1. (1) 16.7
  2. (2) 18.6
  3. (3) 21.2
  4. (4) 24.0
  5. (5) 25.6
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正解は(3)
使う公式
RC直列回路のインピーダンス $Z = \sqrt{R^2 + X_C^2}$、容量性リアクタンス $X_C = \dfrac{1}{2\pi f C}$(Z:インピーダンス[Ω]、R:抵抗[Ω]、X_C:コンデンサの交流での抵抗[Ω]、f:周波数[Hz])
解説
【考え方】50 Hz のときの値から $X_C$ を求め、60 Hz に直してから電流を出します。 ■1 50 Hz のときの $X_C$ インピーダンス(交流での電流の流れにくさ)は $Z = \dfrac{100}{20} = 5\,\Omega$ $Z = \sqrt{R^2 + X_C^2}$ なので $X_C = \sqrt{5^2 - 4^2} = \sqrt{9} = 3\,\Omega$ ■2 60 Hz のときの $X_C$ $X_C$ は周波数に反比例するので、$\dfrac{50}{60}$ 倍になります。 $X_C = 3 \times \dfrac{50}{60} = 2.5\,\Omega$ ■3 60 Hz のときの電流 $Z = \sqrt{4^2 + 2.5^2} = \sqrt{16 + 6.25} = \sqrt{22.25}$ $\fallingdotseq 4.717\,\Omega$ $I = \dfrac{100}{4.717} \fallingdotseq 21.2\,\mathrm{A}$ 周波数が上がると、コンデンサは電流を通しやすくなるので、電流が増えます。 答えは(3)ピヨ。
出典:平成25年度(2013) 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7