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東京工業大学 工学院 電気電子系 2022年8月実施 電磁気学1

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Zero

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真空中に固定された平行平板コンデンサについて,以下の問に答えよ。真空の誘電率を ε0\varepsilon_0 とし,端部効果は無視できるものとする。

(1) 図 1.11.1 のように,厚さが無視できる辺の長さが aabb の長方形導体板を間隔 xx で平行においたコンデンサがある。

① このコンデンサの静電容量 C1C_1a,b,x,ε0a,b,x,\varepsilon_0 を用いて表せ。

22 つの導体板間に電位差 VV を与えたときの導体板間の電界強度 E1E_1, 静電エネルギー U1U_1 および,このとき導体板間に働く静電気力の大きさ F1F_1を, それぞれ a,b,x,V,ε0a,b,x,V,\varepsilon_0 のうち必要なものを用いて表せ。また,静電気力の向きは導体板が引き合う方向か,反発し合う方向かを答えよ。

③ 図 1.21.2 のように 22 つの導体板に ±Q\pm Q の電荷を与えると一様に電荷が分布した。このときの導体板間の電界強度 E2E_2 と静電エネルギー U2U_2 および,導体板間に働く静電気力の大きさ F2F_2 を,それぞれ a,b,x,Q,ε0a,b,x,Q,\varepsilon_0 のうち必要なものを用いて表せ。また,静電気力の向きは導体板が引き合う方向か,反発し合う方向かを答えよ。

(2) 厚さが無視できる一辺の長さ aa の正方形導体板を間隔 xx で平行においたコンデンサがある。図 1.31.3 のように,この導体板間に一辺の長さ aa, 厚さ dd, 誘電率 ε(ε>ε0)\varepsilon(\varepsilon > \varepsilon_0) の正方形誘電体板を導体板に重なる位置で,導体板間の中央に平行に l(0<l<a)l(0 < l < a) だけ挿入し, このコンデンサの導体板間に電位差 VV を与えた。誘電体は帯電していないものとする。

① 図 1.31.3 に示す領域 I と領域 II の部分の静電容量 C1C_1 および C11C_{11} を,それぞれ a,d,x,l,ε0,εa,d,x,l,\varepsilon_0,\varepsilon のうち必要なものを用いて表せ。

② 誘電体板に働く静電気力の大きさ F3F_3a,d,x,l,V,ε0,εa,d,x,l,V,\varepsilon _0,\varepsilon のうち必要なものを用いて表せ。また,その静電気力の向きを図 1.31.3 の右向きか左向きかで答えよ。

Kai

(1)

ε0E=QabE=Qε0abV=Ex=Qε0abx\varepsilon_0E = \frac{Q}{ab} \Rightarrow E = \frac{Q}{\varepsilon_0ab} \Rightarrow V = Ex = \frac{Q}{\varepsilon_0ab}x

従って、

C1=QV=ε0abxC_1 = \frac{Q}{V} = \frac{\varepsilon_0ab}{x}

V=Qε0abxV = \frac{Q}{\varepsilon_0ab}x より、

Q=ε0abxVQ = \frac{\varepsilon_0ab}{x}V
E1=1ε0abε0abxV=VxE_1 = \frac{1}{\varepsilon_0ab}\cdot \frac{\varepsilon_0ab}{x}V = \frac{V}{x}
U1=12C1V2=12ε0abxV2U_1 = \frac{1}{2}C_1V^2 = \frac{1}{2} \cdot \frac{\varepsilon_0ab}{x}V^2
F1=U1x=ε0ab2x2V2F_1 = \frac{\partial U_1}{\partial x} = -\frac{\varepsilon_0ab}{2x^2}V^2

静電気力の向きは導体板が引き合う方向である。

E2=Qε0abE_2 = \frac{Q}{\varepsilon_0ab}
U2=12Q2C1=12xε0abQ2U_2 = \frac{1}{2} \cdot \frac{Q^2}{C_1} = \frac{1}{2} \cdot \frac{x}{\varepsilon_0ab}Q^2
F2=U2x=Q22ε0abF_2 = -\frac{\partial U_2}{\partial x} = -\frac{Q^2}{2\varepsilon_0ab}

静電気力の向きは導体板が引き合う方向である。

(2)

領域 I II にそれぞれ ±Q1,±Q2\pm Q_1,\pm Q_2 の電荷が表れるとすると、

(i) 領域 I
ε0E1=Q1a(al)E1=Qε0a(al)V=xE1=xε0a(al)Q1\begin{aligned} \varepsilon_0E_1 &= \frac{Q_1}{a(a - l)} \\ E_1 &= \frac{Q}{\varepsilon_0a(a - l)} \\ V &= xE_1 \\ &= \frac{x}{\varepsilon_0a(a - l)}Q_1 \end{aligned}

従って、

CI=Q1V=ε0a(al)xC_I = \frac{Q_1}{V} = \frac{\varepsilon_0a(a - l)}{x}
(ii) 領域 II
ε0E21=Q2alE21=Q2ε0al\varepsilon_0 E_{21} = \frac{Q_2}{al} \Rightarrow E_{21} = \frac{Q_2}{\varepsilon_0al}
V21=E21(xd)=Q2ε0al(xd)V_{21} = E_{21}(x - d) = \frac{Q_2}{\varepsilon_0al}(x - d)

また、境界条件より、

ε0E21=εE22\varepsilon_0E_{21} = \varepsilon E_{22}
E22=ε0εQ2ε0al=Q2εalE_{22} = \frac{\varepsilon_0}{\varepsilon} \cdot \frac{Q_2}{\varepsilon_0al} = \frac{Q_2}{\varepsilon al}
V22=E22d=Q2εaldV_{22} = E_{22}d = \frac{Q_2}{\varepsilon al}d
V=V21+V22=(xdε0al+dεal)Q2=Q2al(xdε0+dε)V = V_{21} + V_{22} = (\frac{x - d}{\varepsilon_0 al} + \frac{d}{\varepsilon al})Q_2 = \frac{Q_2}{al}(\frac{x-d}{\varepsilon_0} + \frac{d}{\varepsilon})

従って、

CII=Q2V=alxdε0+dεC_{II} = \frac{Q_2}{V} = \frac{al}{\frac{x-d}{\varepsilon_0} + \frac{d}{\varepsilon}}

C=CI+CII=ε0a(al)x+alxdε0+dε\begin{aligned} C &= C_I + C_{II} = \frac{\varepsilon_0a(a - l)}{x} + \frac{al}{\frac{x-d}{\varepsilon_0} + \frac{d}{\varepsilon}} \end{aligned}
V3=12CV2=12[ε0a(al)x+alxdε0+dε]V2\begin{aligned} V_3 &= \frac{1}{2}CV^2 = \frac{1}{2} \bigg[\frac{\varepsilon_0a(a - l)}{x} + \frac{al}{\frac{x-d}{\varepsilon_0} + \frac{d}{\varepsilon}}\bigg]V^2 \end{aligned}
F3=U3l=12[ε0ax+axdε0+dε]V2=12[ε0ax+ε0εaε(xd)+ε0d]V2=12[ε0ax+ε0εad(ε0ε)+εx]V2=12ε0(εε0)dax[dε0+(xd)ε]V2\begin{aligned} F_3 = \frac{\partial U_3}{\partial l} &= \frac{1}{2} \bigg[-\frac{\varepsilon_0a}{x} + \frac{a}{\frac{x-d}{\varepsilon_0} + \frac{d}{\varepsilon}}\bigg]V^2 \\ &= \frac{1}{2} \bigg[-\frac{\varepsilon_0a}{x} + \frac{\varepsilon_0 \varepsilon a}{\varepsilon(x - d) + \varepsilon_0d}\bigg]V^2 \\ &= \frac{1}{2} \bigg[-\frac{\varepsilon_0a}{x} + \frac{\varepsilon_0 \varepsilon a}{d(\varepsilon_0 - \varepsilon) + \varepsilon x}\bigg]V^2 \\ &= \frac{1}{2} \cdot \frac{\varepsilon_0(\varepsilon - \varepsilon_0)da}{x[d\varepsilon_0 + (x - d)\varepsilon]}V^2 \end{aligned}

F3>0F_3 > 0 より、静電気力の向きは図 1.31.3 の左向きである。