前期 大問Ⅱ:電磁気(RC回路とスイッチの切り替え)

解法の指針

直感的理解

起電力 \(E\)、抵抗 \(R_a, R_b\)、コンデンサー \(C_a, C_b\) を含む回路で、スイッチを a と b に交互に切り替える。充電・放電を繰り返す中で、電荷がどう分配されるかを追跡する問題。

回路構成
Point

RC回路では、十分時間が経つとコンデンサーは満充電し電流はゼロになる。スイッチ切替直後は電圧の連続性(コンデンサーの電圧は瞬時に変わらない)がポイント。

問1 — スイッチをaに入れた直後の電流

直感的理解

コンデンサーが空の状態でスイッチをaに入れると、コンデンサーの電圧は0V。回路全体の電圧は電池のEがそのまま抵抗 \(R_a\) にかかる。

スイッチをaに入れた直後、\(C_a\) は未充電なので \(C_a\) の電圧は 0 V。キルヒホッフの第二法則より:

$$ E = I \cdot R_a + \frac{Q}{C_a} $$

\(t = 0\) で \(Q = 0\) なので:

$$ E = I_0 \cdot R_a $$ $$ I_0 = \frac{E}{R_a} $$

十分時間が経過すると \(I \to 0\) で \(C_a\) に蓄えられた電荷 \(Q_1\) と静電エネルギー \(U_1\) は:

$$ Q_1 = C_a E, \quad U_1 = \frac{1}{2}C_a E^2 $$
答え:

直後の電流:\(I = \frac{E}{R_a}\)、静電エネルギー:\(U_1 = \frac{1}{2}C_a E^2\)

Point

充電直後はコンデンサーを導線と見なせ(電圧0)、充電完了後は断線と見なせる(電流0)。

問2 — スイッチをbに切り替えた後

直感的理解

\(C_a\) に蓄えられた電荷 \(C_aE\) が \(R_b\) を通して \(C_b\) に流れる。十分時間が経つと、\(C_a\) と \(C_b\) の電圧が等しくなり電流が止まる。

スイッチをbに切り替えると、\(C_a\)(電圧 \(E\))と \(C_b\)(電圧 0)が \(R_b\) を通して接続される。電荷保存より:

$$ Q_a + Q_b = C_a E \quad (\text{初期の総電荷}) $$

十分時間後、両コンデンサーの電圧が等しくなる(\(V\) とする):

$$ V = \frac{Q_a}{C_a} = \frac{Q_b}{C_b} $$ $$ C_a V + C_b V = C_a E $$ $$ V = \frac{C_a E}{C_a + C_b} $$

\(C_a\) に蓄えられた電荷と \(C_b\) の端子電圧:

$$ Q_a = C_a V = \frac{C_a^2 E}{C_a + C_b}, \quad Q_b = C_b V = \frac{C_a C_b E}{C_a + C_b} $$
答え:

\(C_a\) の電荷:\(Q_a = \frac{C_a^2 E}{C_a + C_b}\)、\(C_b\) の電圧:\(V = \frac{C_a E}{C_a + C_b}\)

Point

コンデンサーの電荷再分配では「電荷保存」と「最終的な電圧均等化」の2条件を使う。

問3 — 再びスイッチをaに切り替え

直感的理解

再度aに切り替えると、\(C_a\) は現在の電圧(\(E\) より低い)から再びEまで充電される。\(C_b\) はbの回路から切り離されるのでそのまま電荷を保持する。

スイッチをaに戻すと、\(C_a\) は電池 \(E\) から再充電される。十分時間後:

$$ V_{C_a} = E, \quad Q_{C_a} = C_a E $$

このとき \(C_b\) はaの回路から切り離されているので、問2で蓄えた電荷をそのまま保持する。

再びbに切り替えると、\(C_a\)(電圧 \(E\))と \(C_b\)(電圧 \(\frac{C_aE}{C_a+C_b}\))が接続される。電荷保存:

$$ C_a E + \frac{C_a C_b E}{C_a + C_b} = (C_a + C_b) V' $$ $$ V' = \frac{C_a E}{C_a + C_b}\left(1 + \frac{C_b}{C_a + C_b}\right) = \frac{C_a E(C_a + 2C_b)}{(C_a + C_b)^2} $$
答え:

3回目切替後の \(C_a\) の電圧:\(V_{C_a} = E\)(S→aで常にEまで充電される)

4回目切替後の共通電圧:\(V' = \frac{C_a E(C_a + 2C_b)}{(C_a + C_b)^2}\)

Point

S→aにするたびに \(C_a\) はEまで充電される。S→bにするたびに電荷が再分配される。この繰り返しで \(C_b\) の電圧は徐々に上昇する。

問4・問5 — 無限回操作と \(V_1\) の収束

直感的理解

操作を無限に繰り返すと、bに切り替えたときの共通電圧は毎回上昇し、ある値に収束する。等比級数的な収束を利用して極限値を求める。

\(n\) 回目のb操作後の共通電圧を \(V_n\) とする。漸化式は:

$$ V_{n+1} = \frac{C_a E + C_b V_n}{C_a + C_b} $$

\(r = \frac{C_b}{C_a + C_b}\) とおくと:

$$ V_{n+1} = (1-r)E + rV_n $$

これは \(V_n\) に関する1次漸化式。収束値 \(V_\infty\) は \(V_\infty = (1-r)E + rV_\infty\) より:

$$ V_\infty(1-r) = (1-r)E $$ $$ V_\infty = E $$

つまり、無限回操作を繰り返すと \(V_1\)(\(C_b\) の電圧)は \(E\) に収束する。

答え:

\(V_n\) を \(V, C_a, C_b, E\) を用いて表すと:

$$ V_n = E\left[1 - \left(\frac{C_b}{C_a + C_b}\right)^n\right] $$

無限回操作すると \(V_\infty = E\) に収束する。

補足:等比級数による導出

漸化式 \(V_{n+1} = (1-r)E + rV_n\) を展開すると:

$$ V_n = E(1-r)(1 + r + r^2 + \cdots + r^{n-1}) = E(1-r) \cdot \frac{1-r^n}{1-r} = E(1-r^n) $$

\(0 < r < 1\) なので \(r^n \to 0\) となり \(V_n \to E\)。

Point

コンデンサーの電荷移送を無限に繰り返す問題は漸化式に帰着する。収束条件 \(V_{n+1} = V_n\) で極限値が即座に求まる。