電験三種(第三種電気主任技術者)「理論」のうち、RC回路の過渡現象の問題です(大分類:過渡現象・重要度B)。一問一答5問 → 五肢択一3問の順に解き、解答・解説は各問題の下を開いて確認してください。
一問一答(○×)
重要度:B 難易度:★☆☆
問1:抵抗RとコンデンサCの直列回路の時定数は、C/Rである。
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正解:×
RC直列回路の時定数はτ=CR(積)です。単位はΩ×F=(V/A)×(C/V)=C/A=sで、時間の次元になります。
重要度:B 難易度:★☆☆
問2:未充電のコンデンサを含む直流回路でスイッチを閉じた直後は、コンデンサの両端の電圧は0なので、コンデンサを短絡とみなして電流を求めることができる。
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正解:○
コンデンサの電圧は急に変化できないため、未充電なら投入直後も0Vです。電圧0の素子として短絡とみなせます。
重要度:B 難易度:★☆☆
問3:直流電源につないだRC直列回路で、十分に時間が経過して定常状態になると、コンデンサには一定の電流が流れ続ける。
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正解:×
定常状態ではコンデンサの電圧が一定(電源電圧)になり、i=C dv/dt=0なので、電流は流れません。コンデンサは開放とみなせます。
重要度:B 難易度:★★☆
問4:未充電のコンデンサを抵抗を通して直流電源で充電するとき、抵抗の値を小さくすると、充電が終わるまでに抵抗で消費されるエネルギーも小さくなる。
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正解:×
抵抗で消費されるエネルギーは½CE²で、抵抗の値によりません。抵抗を小さくすると電流は大きくなりますが、時定数CRが短くなるため、合計のエネルギーは同じになります。
重要度:B 難易度:★★☆
問5:電圧V0に充電した静電容量Cのコンデンサを抵抗につないで放電させると、放電が終わるまでに抵抗で消費されるエネルギーは、コンデンサの初めの静電エネルギー½CV0²の半分である。
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正解:×
放電では、コンデンサに蓄えられていた静電エネルギー½CV0²が、すべて抵抗でジュール熱として消費されます(抵抗の値によりません)。半分になるのは、電源から充電する場合に電源が供給するエネルギーCE²のうち、抵抗で消費される割合です。
五肢択一
重要度:B 難易度:★★☆
問6:抵抗10kΩと静電容量100μFの未充電のコンデンサを直列にし、時刻t=0で10Vの直流電圧を加えた。t=1sにおけるコンデンサの電圧〔V〕の値として、最も近いものはどれか。ただし、e⁻¹=0.368、e⁻²=0.135とする。
- 3.68
- 5.00
- 6.32
- 8.65
- 10.00
【第6問:正解と解説】
正解:3
正解は3です。
時定数τ=CR=100×10⁻⁶×10×10³=1s
v=E(1−e^(−t/τ))=10×(1−e⁻¹)=10×(1−0.368)≒6.32V(t=τで最終値の約63%)
1:誤り。放電の式(初期値の36.8%)を使った値です。
2:誤り。最終値の半分とした値です。
3:正しい。
4:誤り。時定数を0.5sとして、t=2τの値(86.5%)を使った値です。
5:誤り。すでに充電が終わっているとした値です。
重要度:B 難易度:★★☆
問7:100Vに充電した静電容量20μFのコンデンサを、時刻t=0で50kΩの抵抗に接続して放電させた。t=1sにおけるコンデンサの電圧〔V〕の値として、最も近いものはどれか。ただし、e⁻¹=0.368、e⁻²=0.135とする。
- 13.5
- 36.8
- 50.0
- 63.2
- 100.0
【第7問:正解と解説】
正解:2
正解は2です。
時定数τ=CR=20×10⁻⁶×50×10³=1s
v=V0e^(−t/τ)=100×e⁻¹=100×0.368=36.8V(t=τで初期値の約37%)
1:誤り。時定数を0.5sとして、t=2τの値(13.5%)を使った値です。
2:正しい。
3:誤り。初期値の半分とした値です。
4:誤り。充電の式(最終値の63.2%)を使った値です。
5:誤り。放電が始まっていないとした値です。
重要度:B 難易度:★★☆
問8:未充電の静電容量50μFのコンデンサを、抵抗を通して200Vの直流電源で充電した。充電が終わるまでに抵抗で消費されたエネルギー〔J〕の値として、正しいものはどれか。
- 0.005
- 0.010
- 0.500
- 1.000
- 2.000
【第8問:正解と解説】
正解:4
正解は4です。
電源が供給するエネルギー=QE=CE²=50×10⁻⁶×200²=2.0J
コンデンサに蓄えられるエネルギー=½CE²=1.0J
抵抗で消費されるエネルギー=2.0−1.0=1.000J(抵抗の値によらず½CE²)
1:誤り。½CE(電圧を2乗し忘れた値)です。
2:誤り。コンデンサの電荷Q=CE〔C〕の値です。
3:誤り。コンデンサの蓄積エネルギーをさらに半分にした値です。
4:正しい。
5:誤り。電源が供給した全エネルギー(CE²=QE)です。
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