東大物理'02年前期[2]
図2-1に示すように、環状の鉄心に巻き数のコイル1と巻き数のコイル2が巻かれている。これらのコイルの電気抵抗は無視できるほど小さく、コイル1は抵抗と任意の電圧Eを発生できる電源に接続され、一方コイル2は抵抗とスイッチSに接続されている。これらのコイルに電流を流したとき、磁束は鉄心内にのみ発生し、鉄心外への漏れは無視できるものとする。そのとき鉄心内の磁束Φと、コイル1の電流およびコイル2の電流との間には、以下の式(ア)が成り立つものとする。
式(ア) ここで、磁束Φと電流およびの向きは図中の矢印の向きを正とし、係数kは鉄心の形状や透磁率によって決まる定数とする。
また、微小時間の間にこの鉄心内の磁束がだけ増加したとき、とおよびコイル1の電圧との間には以下の式(イ)が成り立つ。
式(イ) ここで、電源の電圧E,コイル1の電圧,コイル2の電圧は、それぞれa点、b点、c点を基準としたときの間、間、間の電位差と定義する。
時刻では、いずれのコイルにも電流は流れていないものとして、以下の問T,Uに答えよ。
T スイッチSが開いている状態のとき、コイルTの電圧が図2-2に示す電圧波形(はのとき一定値をとり、その他の時刻では0をとる)となるように、電源の電圧Eを変化させた。 (1) 時刻t がのとき、コイル1の電流は正負どちらの向きに増加するか。また、その理由を簡単に述べよ。 (2) 時刻における鉄心内の磁束Φを求めよ。 (3) 式(ア)を用いて、時刻におけるコイル1の電流を求めよ。 (4) 以下のそれぞれの場合について電源の電圧Eを求めよ。
(a) 時刻t がの場合 (b) 時刻t がの場合
U 次にスイッチSが閉じられている場合を考える。問Tと同様に、コイル1の電圧が図2-2に示す電圧波形となるように、電源の電圧Eを変化させた。 (1) 時刻における鉄心内の磁束Φを求めよ。 (2) 時刻t がのとき、両コイルの両端に発生する電圧の大きさの比、を求めよ。またc点と点とでは、どちらの電位が高くなるかを答えよ。 (3) 時刻t がのとき、コイル1の電流を求めよ。
【広告】ここから広告です。ご覧の皆さまのご支援ご理解を賜りたく、よろしくお願いいたします。
【広告】広告はここまでです。
解答 式(イ)では、コイルの電圧と起電力の違いに注意してください(自己誘導を参照)。電流、磁束の正負が指定されているので、コイルの巻き方にも注意してください(電磁誘導の法則、電流の作る磁界を参照)。
T(1) 正の向きに増加する ......[答]
[理由] コイルの電圧がということは、電流の負方向に電流を流す向きの起電力がコイル1に発生している、ということです。レンツの法則より、磁界の変化を妨げる向きに起電力が発生するので、電流は正の向きに増加していることになります。[別解] のとき、コイル1には上向きの磁界が発生し、のとき、コイル2には下向きの磁界が発生し、ともになので、です。式(イ)においてより、ですが、式(ア)において、より、,従って、電流は正の向きに増加します。
(2) 式(イ)において、が一定なので、として、 においては電流が流れていないので、式(ア)より、
における磁束は、 ......[答] ・・・@
(3) 式(ア)において、,@より、 ∴ ......[答] ・・・A
(4)(a) ではAにおいて、として、 注.こうできるのは、において、が一定で、Φがt の1次関数,なので、式(ア)より、もt の1次関数になるからです。
コイル1側の回路においてキルヒホッフ第2法則より、 (コイル1の電圧はがbよりも高いときに正で、このとき、電流の正方向にループを回って、コイル1の電圧は電圧降下です)∴ ......[答]
(b) において、,より磁束はのまま変化しません。 式(ア)を用いて、
U(1) コイルの巻き数、時間間隔に変化がなければ、式(イ)より、電圧に影響するものは磁束の変化だけです。従って、スイッチSを閉じても、電圧がTと同じなら、もTと同じです。 ∴ ......[答] ・・・B
(2) コイル2についても、コイル1と同様に、
・・・C が成り立ちます。(のとき、磁界の変化を妨げる向きにコイル2にはとなる方向に起電力が発生します。このときです)式(ア)をCで辺々割ると、 .......[答] ・・・D においては、,なので、点の方がc点よりも電位が高くなります。 ......[答]
(3) (2)で触れたように、のとき、,です。また、 より、 ・・・E Tと同様に、Bにおいてとして、において、 ・・・F
E,Fと式(ア)により、 ∴ ∴ ......[答]
【広告】ここから広告です。ご覧の皆さまのご支援ご理解を賜りたく、よろしくお願いいたします。
【広告】広告はここまでです。
東大物理TOP 物理TOP TOPページに戻る
【広告】ここから広告です。ご覧の皆さまのご支援ご理解を賜りたく、よろしくお願いいたします。
【広告】広告はここまでです。
各問題の著作権は
出題大学に属します。©2005-2024(有)りるらる 苦学楽学塾 随時入会受付中!理系大学受験ネット塾苦学楽学塾(ご案内はこちら)ご入会は、
まず、こちらまでメールを
お送りください。