綾瀬個別指導学院(講師編)です。
今回は、
交流回路と
微積分についてです。
前回、
誘導起電力の式
V=V0sinωt …①
を
微分によって求めることができました。今回は、
交流回路における
コイルに流れる電流の式と
コンデンサーに流れる電流の式を、
微積分を用いてそれぞれ求められることを説明します。
コイルに流れる電流が
変化するとき、その変化を
打ち消す向きにコイルに
誘導起電力が生じます。これを
自己誘導といいます。そこで、コイルに生じる
誘導起電力を考えます。
I[A]の
電流が流れている
ソレノイドコイル(単位長さ当たりの
巻数n,
長さℓ)内部の
磁束密度は
B=μ0nI(
μ0は真空の
透磁率)となります。
コイルを貫く
磁束は
Φ=BS=μ0nIS, コイルの
巻数N=nℓですから、
時間Δt[s]の間に
電流が
ΔI[A]変化するとき、
ファラデーの電磁誘導の法則により
V=-NΔΦ/Δt=-nℓμ0nSΔI/Δt
ここで
μ0n^2ℓS=Lとおくと
V=-LΔI/Δt となります。
この式の
比例定数Lはコイルの
自己誘導の大きさを表し、これを
自己インダクタンスといいます。この式は、
誘導起電力Vが
電流Iの
時間tに対する
平均変化率であることを表しています。したがって、
瞬間の変化率は
VL=-LdI/dt …②
となります。
①、②式より、
コイルに流れる電流の式を求めることができます。まず、回路に電流が流れるということは、1周して戻ってくると電位が元通りになる(
キルヒホッフの法則)ということだから
V+VL=0
V=-VL=LdI/dt
∴ dI/dt=V/L=V0sinωt/L …③
③式の両辺を
時間tで積分すると
I=∫V0sinωtdt/L
=(V0/L)∫sinωtdt
=V0(-cosωt)/ωL
ここで、
-cosωt=sin(ωt -π/2)より
I=I0sin(ωt -π/2) (ただし、
V0/ωL=I0)
次に、平行板コンデンサーの極板の向かい合う面上にたまった
電荷によって、極板間に一様な
電場が生じます。
極板の
電気量を
Q[C],
面積を
S[㎡]とすると、極板間の
電場の強さE[V/m]は
E=4πkQ/S …④
となります。
極板間の
電位差を
V[V],
間隔を
d[m]とすると、
④式から
V=Ed=4πkdQ/S
となります。
ゆえに、
Q=SV/4πkdとなるから、
Qは
Vに
比例します。この
比例定数を
Cとおくと
Q=CV …⑤ (ただし、
C=S/4πkd)
Cを
コンデンサーの電気容量といいます。
また、
電流Iは
電気量Qを
時間tで微分することによって得られるから
I=dQ/dt …⑥
①、⑤、⑥式より、
コンデンサーに流れる電流の式を求めることができます。
I=dQ/dt=CdV/dt=CV0dsinωt/dt=ωCV0cosωt
ここで、
cosωt=sin(ωt+ π/2)より
I=I0sin(ωt+ π/2) (ただし、
ωCV0=I0)
抵抗値Rの抵抗、
自己インダクタンスLのコイル、
電気容量Cのコンデンサーを
直列に接続し、これに
交流電源をつないだとき、流れる
電流を
I=I0sinωtとすると、
抵抗に加わる
電圧VRは、
オームの法則より
VR=RI0sinωt
コイルに加わる
電圧VLは、
VL=ωLI0sin(ωt+ π/2)
コンデンサーに加わる
電圧VCは
VC=(I0/ωC)sin(ωt- π/2)
と表されます。
回路に加わる電圧 V=VR+VL+VC を計算すると、交流回路のインピーダンスを求めることができます。
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