電験三種 平成28年度(2016) 理論 問10 過去問解説

問10 《過渡現象(RC回路の放電)》
図のように,電圧E[V]の直流電源,スイッチS,R[Ω]の抵抗及び静電容量C[F]のコンデンサからなる回路がある。この回路において,スイッチSを1側に接続してコンデンサを十分に充電した後,時刻$t = 0\,\mathrm{s}$でスイッチSを1側から2側に切り換えた。2側に切り換えた以降の記述として,誤っているものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。 ただし,自然対数の底は,2.718とする。
問10の図
  1. (1) 回路の時定数は,Cの値[F]に比例する。
  2. (2) コンデンサの端子電圧$v_{\mathrm{C}}$[V]は,Rの値[Ω]が大きいほど緩やかに減少する。
  3. (3) 時刻$t = 0\,\mathrm{s}$から回路の時定数だけ時間が経過すると,コンデンサの端子電圧$v_{\mathrm{C}}$[V]は直流電源の電圧E[V]の0.368倍に減少する。
  4. (4) 抵抗の端子電圧$v_{\mathrm{R}}$[V]の極性は,切り換え前(コンデンサ充電中)と逆になる。
  5. (5) 時刻$t = 0\,\mathrm{s}$における回路の電流i[A]は,Cの値[F]に関係する。
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正解は(5)
使う公式
時定数 $\tau = RC$(τ:時定数(変化の速さの目安)[s]) 放電の電圧 $v_{\mathrm{C}} = E\,e^{-\frac{t}{RC}}$(e:自然対数の底(2.718)) はじめの電流の大きさ $\dfrac{E}{R}$
解説
【考え方】2側にすると、コンデンサにたまった電気が R を通って流れ出ます(放電)。電流の向きと、電圧の減り方を図で確かめます。 ■1 放電の電流の通り道 解説の図 電流は、コンデンサの上から R を左へ通り、2側を通ってもどります。 R の中を右から左へ流れるので、R は右側(コンデンサ側)が高い電位になります。 図の $v_{\mathrm{R}}$ の矢印は左向き(矢の先の左側をプラスとする向き)なので、$v_{\mathrm{R}}$ は負です。 充電中は電流が R を左から右へ流れ、左側が高い電位なので、$v_{\mathrm{R}}$ は正でした。 充電中とは極性(+と−の向き)が逆になるので、(4)は正しいです。 ■2 電圧の減り方 解説の図 時定数 RC は C に比例します。(1)は正しいです。 R が大きいほど時定数が大きく、ゆっくり減ります。(2)も正しいです。 $t = \tau$ では $\dfrac{1}{2.718} \fallingdotseq 0.368$ 倍です。(3)も正しいです。 ■3 はじめの電流 $t = 0$ の瞬間、コンデンサの電圧は E なので、電流の大きさは $\dfrac{E}{R}$ です。 C は式に入らないので、(5)が誤りです。 答えは(5)ピヨ。
出典:平成28年度(2016) 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10