基本問題384 コンデンサーの接続

充電後のコンデンサー接続(同極性)

直感的理解
充電されたコンデンサーと未充電のコンデンサーを同極性どうしで接続すると、電荷が高電圧側から低電圧側へ流れ、最終的に同じ電圧になります。全体の電荷は保存されます(正極板の合計電荷は不変)。

設定:$C_\text{A} = 4.0\;\mu\text{F}$($V_\text{A} = 15$ V に充電済み)、$C_\text{B} = 6.0\;\mu\text{F}$(未充電)を正極板どうし・負極板どうしで接続

電荷保存:初期電荷の合計は:

$$Q_\text{total} = Q_\text{A} + Q_\text{B} = C_\text{A} V_\text{A} + 0 = 4.0 \times 15 = 60\;\mu\text{C}$$

共通電圧:接続後は同じ電圧 $V$ になるので:

$$V = \frac{Q_\text{total}}{C_\text{A} + C_\text{B}} = \frac{60}{4.0 + 6.0} = \frac{60}{10.0} = 6.0\;\text{V}$$

各コンデンサーの電荷:

$$Q_\text{A} = C_\text{A} \times V = 4.0 \times 6.0 = 24\;\mu\text{C}$$ $$Q_\text{B} = C_\text{B} \times V = 6.0 \times 6.0 = 36\;\mu\text{C}$$

(検算:$24 + 36 = 60\;\mu\text{C}$ ✓)

答え:
$$V = 6.0\;\text{V}, \quad Q_\text{A} = 24\;\mu\text{C}, \quad Q_\text{B} = 36\;\mu\text{C}$$
補足:静電エネルギーの変化

接続前:$U_i = \dfrac{1}{2} \times 4.0 \times 15^2 = 450\;\mu\text{J}$

接続後:$U_f = \dfrac{1}{2} \times 10.0 \times 6.0^2 = 180\;\mu\text{J}$

差 $\Delta U = 270\;\mu\text{J}$ は導線の抵抗でジュール熱として失われます。

Point

コンデンサー接続問題は電荷保存が最重要。同極性接続なら $Q_\text{total}$ は足し算、逆極性なら引き算。