電験三種 平成28年度(2016) 理論 問12 過去問解説
電荷q[C]をもつ荷電粒子が磁束密度B[T]の中を速度v[m/s]で運動するとき受ける電磁力はローレンツ力と呼ばれ,次のように導出できる。まず,荷電粒子を微小な長さ$\Delta l$[m]をもつ線分とみなせると仮定すれば,単位長さ当たりの電荷(線電荷密度という。)は $\dfrac{q}{\Delta l}$[C/m]となる。次に,この線分が長さ方向に速度vで動くとき,線分には電流 $I = \dfrac{vq}{\Delta l}$[A]が流れていると考えられる。そして,この微小な線電流が受ける電磁力は $F = BI\Delta l \sin\theta$[N]であるから,ローレンツ力の式 $F =$ 【(ア)】[N]が得られる。ただし,$\theta$はvとBとの方向がなす角である。FはvとBの両方に直交し,Fの向きはフレミングの【(イ)】の法則に従う。では,真空中でローレンツ力を受ける電子の運動はどうなるだろうか。鉛直下向きの平等な磁束密度Bが存在する空間に,負の電荷をもつ電子を速度vで水平方向に放つと,電子はその進行方向を前方とすれば【(ウ)】のローレンツ力を受けて【(エ)】をする。
ただし,重力の影響は無視できるものとする。
上記の記述中の空白箇所(ア),(イ),(ウ)及び(エ)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) (ア)$qvB \sin\theta$ (イ)右手 (ウ)右方向 (エ)放物線運動
- (2) (ア)$qvB \sin\theta$ (イ)左手 (ウ)右方向 (エ)円運動
- (3) (ア)$qvB\Delta l \sin\theta$ (イ)右手 (ウ)左方向 (エ)放物線運動
- (4) (ア)$qvB\Delta l \sin\theta$ (イ)左手 (ウ)左方向 (エ)円運動
- (5) (ア)$qvB\Delta l \sin\theta$ (イ)左手 (ウ)右方向 (エ)ブラウン運動
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正解は(2)
使う公式
ローレンツ力 $F = qvB \sin\theta$(F:力[N]、q:電荷[C]、v:速さ[m/s]、B:磁束密度[T]、θ:vとBのなす角[rad])
解説
【考え方】導線が受ける力の式に、電流の式を入れてローレンツ力を作ります。向きはフレミングの左手の法則で考えます。
■1 (ア) 式を作る
導線が受ける力 $F = BI\Delta l \sin\theta$
電流 $I = \dfrac{vq}{\Delta l}$ を入れます。
$F = B \times \dfrac{vq}{\Delta l} \times \Delta l \times \sin\theta$
$\Delta l$ が分母と分子で消えます。
$F = qvB \sin\theta$ → (ア) $qvB \sin\theta$
$\Delta l$ が残っている式はまちがいです。
■2 (イ) 力の向きの法則
電流が磁界から受ける力の向きは、フレミングの左手の法則で決まります。→ (イ) 左手
右手の法則は、起電力の向きを決める法則です。
■3 (ウ) 電子が受ける力の向き
電子はマイナスの電気をもつので、電流の向きは電子の進む向きと逆(後ろ向き)です。
左手の人差し指を磁界の向き(下向き)、中指を電流の向き(後ろ向き)に合わせます。
親指(力の向き)は、進む向きから見て右を向きます。→ (ウ) 右方向
■4 (エ) 運動のようす
この力は、いつも進む向きと直角に働きます。
速さは変わらず、向きだけが変わり続けるので、円をえがいて回ります。→ (エ) 円運動
答えは(2)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12