抵抗コンデンサー回路で、抵抗でジュール熱が放出されても電荷は保存される(電荷は出ていかない)のは何故

抵抗コンデンサー回路で、抵抗でジュール熱が放出されても電荷は保存される(電荷は出ていかない)のは何故ですか？

質問者からの補足コメント

• お二方、回答ありがとうござます！
  
  もう一つできればお聞きしたいのですが、
  コンデンサー(電荷Q溜まる),抵抗,コンデンサー(0)の
  回路で始状態が()の時に、終状態で電荷が全て片側のコンデンサーに移動しないのでしょうか。
  (つまり(0)--抵抗--(Q)のような)
  
  (度重なり、さらにわかりにくい質問ですみません。)

    補足日時：2019/01/04 15:00

• 補足で、
  電荷がエネルギーのようなものだと思ってしまったのは、抵抗で発生したジュール熱が静電エネルギーの減少量に等しい ということから、
  静電エネルギーがQ²/2cと表せるので、この式で減るのはQだと思ってしまったのです。
  
  静電エネルギーの減少とは具体的にどういうことなのでしょうか。
  
  angkor_hさんの回答を見させていただいていて、少しわからなかったのでもう一度教えていただければ幸いです。

    補足日時：2019/01/04 15:07

• 皆さま再びの回答ありがとうございました。
  勉学の参考にさせていただきます！
  
  この度は全ての質問に回答してもらい、自分でも理解しやすいmasterkotoさんをベストアンサーとさせていただきます。
  またご機会があればご教授賜りますようお願い申し上げます。

    補足日時：2019/01/04 18:56

No.5 回答者： majimelon37 回答日時： 2019/01/04 16:56

抵抗コンデンサー回路で、抵抗でジュール熱が放出されても電荷は保存される(電荷は出ていかない)のは何故ですか？

「電荷は保存される」は良いが、「電荷は出ていかない」というのは間違いかも。
図の領域を点線AとBで区切って、左からa,b,cの3つの領域に区切ります。
矢印のように電流Iがa領域からc領域に向かってｔ秒間流れると
Q=Itの電荷がa領域から点線Aを超えてb領域に入り、同じ量Qの電荷がb領域から点線Bを超えてc領域に出ます。
「電荷は保存される」というのは、b領域にある電荷の総量は、このt秒の間に変化しないという意味なら正しいが、「電荷は出ていかない」というと、電荷はb領域から点線Bを超えてc領域に出るので、正しくありません。a領域の電荷がQだけ減って、c領域の電荷が増えるので、b領域にある電荷は差し引き増減はありません。a領域の電荷が電位ＥV(Ｅボルト)にあると、エネルギーEQを持ち、c領域の電荷が電位0Vにあると、エネルギーは0です。この増減の差はＥQ=RIQ=RI✕Ｉt=RI²tで抵抗Rで消費されるエネルギーです。

No.4 ベストアンサー 回答者： masterkoto 回答日時： 2019/01/04 15:36

もう一つできればお聞きしたいのですが、

コンデンサー(電荷Q溜まる),抵抗,コンデンサー(0)の
回路で始状態が()の時に、終状態で電荷が全て片側のコンデンサーに移動しないのでしょうか。
(つまり(0)--抵抗--(Q)のような)
＞＞＞そのような回路を組んで十分に時間が経過した後、電流は流れなくなりますよね（定常状態）
このとき、抵抗に電流が流れないから、Ωの法則から抵抗の電圧は０です
したがって、キルヒホッフの電圧の法則から２つのコンデンサの電圧は等しいことになります。
どちらか一方のコンデンサの電荷が０ならば電圧は０です。
もう一方は電荷があるので電圧０ではありません。
これではキルヒホッフの法則に矛盾ですね。
従って、ご質問のような状況では
キルヒホッフの電圧の法則
と
電荷保存の法則
を満たすように電荷が移動するのです。



電荷がエネルギーのようなものだと思ってしまったのは、抵抗で発生したジュール熱が静電エネルギーの減少量に等しい ということから、
静電エネルギーがQ²/2cと表せるので、この式で減るのはQだと思ってしまったのです。
＞＞＞確かにこの式で減るのはQです。このQの意味は初めに充電されていたコンデンサの電気量です
Qの1部であるｑ[c]（Q>q)が空のコンデンサに移動するので、初めに充電されていたコンデンサの電荷は減ります
しかし、空のコンデンサにはこのqが移動してくるので
回路全体では電荷の保存がなされていることになります
（充電されていたコンデンサの電気量：QからQ-qに減る、空のコンデンサの電気量：0からqに増える
２つのコンデンサの電荷はトータルで　Q+0から(Q-q)+qになるが量に変わりはない）


静電エネルギーの減少とは具体的にどういうことなのでしょうか。
＞＞＞上記の通りですが、もう1つの式
静電エネルギー＝(1/2)CV²というのもありますよね。つまり初めに充電されていたコンデンサの電圧が下がるという事でもあります

さらに別の言い方をすれば、充電されたコンデンサに蓄えられているエネルギーの1部が放出され、
そのうちのいくらかは、抵抗部分で熱に変わり
残りは、空のコンデンサに静電エネルギーとして蓄えられたという事です。

No.3 回答者： masterkoto 回答日時： 2019/01/04 14:00

#1　つけたし

質問者さんは電荷がエネルギーそのものと思っているのかもしれませんね。
でも、電荷はエネルギーの運び屋なのです。
運搬業務終了後、荷をおろしてもトラックは残るのと同じように
エネルギーを運搬し終えた電荷も残るのです。

No.2 回答者： angkor_h 回答日時： 2019/01/04 13:30

充電したコンデンサーの両端に抵抗をつなげば、

抵抗を通してコンデンサーの電荷は中和され、
コンデンサーはエネルギーを失い、これが抵抗のジュール熱に一致します。

直流電源、抵抗、コンデンサー(電荷ゼロ)の直列回路では、
接続当初は、電圧÷抵抗=電流(徐々にゼロに近づく)による
抵抗のジュール熱が発生しながら、コンデンサーが充電されて落ち着きます。
一つは抵抗のジュール熱として消滅し、もう一つはコンデンサーに蓄えらますが、
この両者は電池から供給されたエネルギーになります。

No.1 回答者： masterkoto 回答日時： 2019/01/04 13:27

回路は導線（金属）でつながっているので、回路自体１まとまりの金属(導体）です。

この１つの導体中に存在する電子（電荷）が、外に飛び出すためには非常に高い電圧が必要です。
また、導体の１部分を切り出せば、その部分にあった電荷は一緒に持ち出されます。
または、この１まとまりの導体である回路に、別の導体を接触させれば、接触させた導体の方に電荷が移動したり、反対に回路側へ電荷が流入してくるケースもあります。
でも、ご質問の状況では、上記のようなことはしていませんよね。
したがって回路から電荷が失われたり、あるいはどこかから電荷が補充されることはないのです。
つまり、電気の量は終始変わらない（電荷が保存される）ということです。