基本問題416 ホイートストンブリッジ

ホイートストンブリッジの平衡

直感的理解
ホイートストンブリッジが平衡しているとき、検流計(G)に電流が流れません。これは D と B の電位が等しいことを意味し、上辺と下辺の電圧比が等しい条件 $R_1/R_2 = R_3/R_4$ が成り立ちます。

下のスライダーで R₄ を変更して平衡条件を確認できます。

平衡条件の導出:

G に電流が流れないとき、$V_D = V_B$。上辺と下辺に別々の電流 $I_1$, $I_2$ が流れます:

上辺:$V_A - V_B = R_1 I_1$、$V_B - V_C = R_2 I_1$

下辺:$V_A - V_D = R_3 I_2$、$V_D - V_C = R_4 I_2$

$V_D = V_B$ より $V_A - V_B = V_A - V_D$ なので:

$$R_1 I_1 = R_3 I_2 \quad \cdots\text{①}$$

同様に $V_B - V_C = V_D - V_C$ なので:

$$R_2 I_1 = R_4 I_2 \quad \cdots\text{②}$$

① ÷ ② より:

$$\frac{R_1}{R_2} = \frac{R_3}{R_4} \quad \Leftrightarrow \quad R_1 R_4 = R_2 R_3$$

例:$R_1 = 10\;\Omega$、$R_2 = 20\;\Omega$、$R_3 = 15\;\Omega$ のとき

$$R_4 = \frac{R_2 R_3}{R_1} = \frac{20 \times 15}{10} = 30\;\Omega$$
答え:
平衡条件:$R_1 R_4 = R_2 R_3$
未知抵抗:$R_4 = \dfrac{R_2 R_3}{R_1}$
補足:キルヒホッフの法則

第1法則(電流則):ノードに流入する電流の和 = 流出する電流の和。

第2法則(電圧則):閉じた回路を一周すると起電力の和 = 電圧降下の和。

$$\sum V_{\text{emf}} = \sum IR$$
Point

ブリッジ平衡条件 $R_1 R_4 = R_2 R_3$(対辺の積が等しい)。平衡時は検流計を無視して回路を簡略化できる。

🧮 数値計算で確認

\(q = 3.0 \times 10^{-6}\) C の点電荷から \(r = 0.30\) m の位置:

$$E = k\frac{q}{r^2} = 9.0 \times 10^9 \times \frac{3.0 \times 10^{-6}}{0.09} = 3.0 \times 10^5 \text{ N/C}$$ $$V = k\frac{q}{r} = 9.0 \times 10^9 \times \frac{3.0 \times 10^{-6}}{0.30} = 9.0 \times 10^4 \text{ V}$$