基本問題385 コンデンサーの接続

充電後のコンデンサー接続(逆極性)

直感的理解
逆極性で接続すると、正の電荷と負の電荷が打ち消し合います。全体の電荷は $Q_\text{A} - Q_\text{B}$ になります。もし $Q_\text{A} = Q_\text{B}$ なら完全放電(電荷ゼロ・電圧ゼロ)になります。

設定:$C_\text{A} = 3.0\;\mu\text{F}$($V_\text{A} = 20$ V)、$C_\text{B} = 6.0\;\mu\text{F}$($V_\text{B} = 10$ V)を逆極性接続

初期電荷:

$$Q_\text{A} = C_\text{A} V_\text{A} = 3.0 \times 20 = 60\;\mu\text{C}$$ $$Q_\text{B} = C_\text{B} V_\text{B} = 6.0 \times 10 = 60\;\mu\text{C}$$

逆極性接続の電荷保存(正極板の電荷が互いに打ち消す):

$$Q_\text{total} = Q_\text{A} - Q_\text{B} = 60 - 60 = 0\;\mu\text{C}$$

共通電圧:

$$V = \frac{Q_\text{total}}{C_\text{A} + C_\text{B}} = \frac{0}{3.0 + 6.0} = 0\;\text{V}$$
答え:
$$V = 0\;\text{V}$$

両コンデンサーとも完全に放電される。

補足:エネルギーの行方

接続前のエネルギー:

$$U_i = \frac{1}{2} \times 3.0 \times 20^2 + \frac{1}{2} \times 6.0 \times 10^2 = 600 + 300 = 900\;\mu\text{J}$$

接続後:$U_f = 0$

$900\;\mu\text{J}$ のエネルギーはすべて導線の抵抗でジュール熱として失われます。

Point

逆極性接続では $Q_\text{total} = Q_\text{A} - Q_\text{B}$(打ち消し合う)。$Q_\text{A} = Q_\text{B}$ なら完全放電。同極性なら $Q_\text{total} = Q_\text{A} + Q_\text{B}$。