問 題
図のように、直流電圧E[V]の電源、抵抗R[Ω]の抵抗器、インダクタンスL[H]のコイルまたは静電容量C[F]のコンデンサ、スイッチSからなる2種類の回路(RL回路、RC回路)がある。
各回路において、時刻t=0sでスイッチSを閉じたとき、回路を流れる電流i[A]、抵抗の端子電圧vr[V]、コイルの端子電圧vl[V]、コンデンサの端子電圧vc[V]の波形の組合せを示す図として、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。
ただし、電源の内部インピーダンス及びコンデンサの初期電荷は零とする。
解 説
コイルはスイッチを入れた瞬間は電流iが流れにくく、時間とともに段々と流れるようになり、最終的には全く抵抗がなく、短絡したのと同じような扱いで考えることができます。コイルの端子電圧vlは電流が流れていないときは大きく、電流の増加とともに減少していき、最後は0になります。
また、抵抗の端子電圧vrは電源電圧Eと端子電圧vlとの差であり、Eが一定であることから、vrはvlの反対の動きをすることがわかります。以上から、コイルに関して正しい波形は、(1)または(2)の波形となります。
続いて、コンデンサはコイルと反対の挙動をします。つまり、スイッチを入れた瞬間の電流iはとても大きく、時間経過によりコンデンサが充電されるとともにiは小さくなり、最終的には全く電流が流れず、この回路はコンデンサのところで開放した状態と見なすことができます。
コンデンサの端子電圧vcについては、最初は0ですが充電されていくにつれ大きくなっていきます。最終的には電源電圧と等しくなり、そうすると回路に電流は一切流れなくなります。また、抵抗の端子電圧vrについてコイルのときと同様で、vrはvcの反対の動きをします。
よって、(1)と(2)の波形のうち、コンデンサの波形として正しいのは、(2)です。
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