基本例題81 ホイートストンブリッジ

設問(1) 平衡条件から$R_x$を求める

直感的理解
検流計Gに電流が流れない=B点とC点の電位が等しい。これは2つの分圧回路(A→B→DとA→C→D)で中間点の電位が一致する条件です。スライダーで$R_x$を変えて平衡を確認してみましょう。

平衡条件:検流計Gに電流が流れないとき $\dfrac{R_1}{R_2} = \dfrac{R_3}{R_x}$ なので

$$R_x = R_2 \cdot \frac{R_3}{R_1} = 4 \times \frac{4}{2} = 8 \text{ k}\Omega$$
答え:
$$R_x = 8 \text{ kΩ}$$
Point

ホイートストンブリッジの平衡条件:$\dfrac{R_1}{R_2} = \dfrac{R_3}{R_x}$。対角の抵抗の積が等しい:$R_1 R_x = R_2 R_3$。

設問(2) スイッチを開いたときの電流と電位差

直感的理解
スイッチを開くと、検流計の回路が切れてブリッジは2つの独立した分圧回路になります。$R_x = 2$ kΩ のとき、B点の電位は$R_1/(R_1+R_2)$の分圧で決まり、C点は$R_3/(R_3+R_x)$で決まります。

(a) $R_x = 2$ kΩのとき:

$R_1$, $R_3$を流れる電流を$I_1$, $I_2$とする。

$R_x = 2$ kΩのとき $I_2 = \dfrac{3}{6 \times 10^3} = 0.5$ mA

点Aの電位$V_A$、点Bに対する電位 $V_B = V_A - R_1 I_1 = 3 - 2 \times 0.5 = 2$ V

$V = V_A - V_B = 1$ V

(b) $R_x \to \infty$(断線)のとき:

$I_2 = 0$なので$R_x$側には電流が流れず、C点の電位はD点と同じ。

答え:
$$(1)\; R_x = 8 \text{ kΩ}$$ $$(2)(a)\; V = V_A - V_B = 1 \text{ V}$$ $$(2)(b)\; \text{断線時は } I_2 = 0, \text{ C点の電位 = D点の電位}$$
補足:電場と電位の関係

一様電場中では $E = -\frac{\Delta V}{\Delta d}$ の関係があります。電位が高い方から低い方へ電場が向き、等電位面は電場に垂直です。

Point

ホイートストンブリッジ:$\dfrac{R_1}{R_2} = \dfrac{R_3}{R_x}$。未知抵抗の精密測定に用いられる。平衡時はブリッジ部分の電流が0で、計算が大幅に簡略化される。