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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