プラスチックやガラスの絶縁体に、ある程度の電圧を印加しても電流は流れませんが、この場合(電圧を印加しているとき)、絶縁体の中では、何らかのエネルギーが増えているのでしょうか?増える場合、どのようなエネルギーが増えるのでしょうか?
それとも、電圧を上げて、電流が流れて初めて絶縁体の中でエネルギーが増えるのでしょうか?

同じような話なのですが、全抵抗10Ωの銅線の回路に、電圧100Vの電池2個を同じ方向(直列)に繋げば、20Aの電流が流れますが、この際電圧100Vの電池2個の向きを、反対になるように、2個繋げば電流は流れません。この場合(電流が流れていない場合)、回路の中では何らかのエネルギーが増えているのでしょうか?

A 回答 (5件)

>抵抗の両端に2個の直流電源を接続して閉じた回路を作り、1個1000万ボルトの電圧を抵抗の両端から、抵抗がサンドイッチになるように反対向きに印加した場合・・・・


●2個の電源の向きが逆方向でしょうか?それだと絶縁体の両端にかかる電圧は0Vなので電流は流れません。
静電容量(C)は電圧の大きさに関係なく、電極の距離、面積、絶縁体の誘電率によって決まるものです。
それよりも100万ボルトという超高圧ですと、1m程度の銅線なら空気絶縁が破壊されてしまいます(空中放電)。
また、絶縁体と抵抗とは違います。絶縁体は理想的には抵抗値が無限大のものを想定しますが、抵抗は電流を流すことを前提としています。

>絶縁体(静電容量をゼロとしないとする)に両端からどんどん電圧を印加した場合、電流が流れるまでは、エネルギーが蓄積されていきますが、絶縁破壊した場合、両端から反対向きの電流が流れ出しますが、最終的には、銅線の場合のように釣り合ってエネルギーの蓄積はゼロになるのでしょうか?
●まあ、そういうことです。等価的にはコンデンサーに電圧を印加して、絶縁破壊の場合はそれが抵抗に変わるか、もしくは抵抗を並列に挿入するのと同じです。
向かい合った電極の全面で絶縁破壊があるのなら前者、一部分で絶縁破壊があるのなら後者と言うことになりますが、電極は一点でしょうから後者のケースはないでしょう。

なお、詳しくは存じませんが、バンド理論は絶縁体や導体の性質を説明できるものであって、ここではそれはさておき、絶縁体や導体の性質を踏まえて電磁気学や電気理論で考えるものと思います。
たとえば材料力学を考える場合に、量子力学の立場まで踏み込んで考えないのと同じことだと思います。
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この回答へのお礼

お返事ありがとうございます。

>なお、詳しくは存じませんが、バンド理論は絶縁体や導体の性質を説明できるものであって、ここではそれはさておき、絶縁体や導体の性質を踏まえて電磁気学や電気理論で考えるものと思います。
●ご回答を拝見して、完璧な電気屋さんであることがよくわかりました。明確な結論(ご回答)は間違いないと思います。でも、高電圧でサンドイッチに印加された金属や絶縁体の中(禁止帯や伝導帯、励起云々)が、どのようになっているのか。物理屋さん的な答えも併せて知りたいです。贅沢申しまして、すいません。

>たとえば材料力学を考える場合に、量子力学の立場まで踏み込んで考えないのと同じことだと思います。
●その通りですね。材料力学を使う機械屋さんも、量子力学まで考えて計算する人はほとんどいないでしょう。

お礼日時:2006/05/03 23:40

>ある程度の電圧を印加しても電流は流れませんが、


⇒印加した瞬間だけ電流は流れます。

>何らかのエネルギーが増えているのでしょうか?
⇒印加された電圧による帯電と静電容量に応じたエネルギーが蓄積されています。この分、帯電前(帯電圧0v)に比べて増加したと言えます。

>電流が流れて初めて絶縁体の中でエネルギーが増えるのでしょうか?
⇒電源から流出した電流(電荷)が絶縁物に移動、蓄積されたと言うことです。絶縁物保有のエネルギーはその分増加ですが、電源でその分失っています。

後文章について
電圧が打ち消されて電流を流す力(電圧)がないので、電流は流れませんね。エネルギーは、移動も消費もしていないことになります。

#いったい、何を確認したいんでしょうか?エネルギー不滅の法則との関係ですか?
 
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一体どのような状態を考えてのことでしょうか?



絶縁体の抵抗をほぼ無限大と考えているのと同様に、電極間の静電容量もほぼゼロと考えなくてはなりませんが?

電圧を1000万ボルトに上げても、理屈は同じです。
ツェナーダイオードにおいても、それが導通する前と導通した後とで等価回路に置き換えて考えれば良いだけのことです。

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。
>一体どのような状態を考えてのことでしょうか?

抵抗の両端に2個の直流電源を接続して閉じた回路を作り、1個1000万ボルトの電圧を抵抗の両端から、抵抗がサンドイッチになるように反対向きに印加した場合につきましては、銅線の太さは5mm程度、長さは1m程度で、現実に市販の銅線を使用した状態です。市販の銅線に、1000万ボルトの電圧を印加した場合、静電容量はほぼゼロになるのでしょうか?それとも無視できないのでしょうか?

現実には、両端から1000万ボルトの電圧が印加されても、電流が流れてないので抵抗の内部は何事も起きていないような静かなものなのしょうか?


>ツェナーダイオードにおいても、それが導通する前と導通した後とで等価回路に置き換え>て考えれば良いだけのことです。

わかりました。

新たな疑問です。絶縁体(静電容量をゼロとしないとする)に両端からどんどん電圧を印加した場合、電流が流れるまでは、エネルギーが蓄積されていきますが、絶縁破壊した場合、両端から反対向きの電流が流れ出しますが、最終的には、銅線の場合のように釣り合ってエネルギーの蓄積はゼロになるのでしょうか?

量子力学でバンド理論というのがありますが、どのような理論なのでしょうか?上記の現象は全く関係ないのでしょうか?


素人の取り留めのない疑問で申し訳ございませんが、よろしく御願いいたします。

補足日時:2006/05/03 22:01
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絶縁体の中では、電場のエネルギーが増加します。


絶縁体と絶縁体に接触(又は近接)している電極によりコンデンサが形成されます。
その容量をC、印加した電圧をVとすれば、0.5xCxV^2Jのエネルギーが蓄えられます。

電池を逆に接続した時には、外部に現れる電圧はゼロなので、エネルギーもゼロです。

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。

>その容量をC、印加した電圧をVとすれば、0.5xCxV^2Jのエネルギーが蓄えられます。

わかりました。

>電池を逆に接続した時には、外部に現れる電圧はゼロなので、エネルギーもゼロです。

例えば、10オームの抵抗があり、その両端に2個の直流電源を接続して閉じた回路を作り、1個1000万ボルトの電圧を抵抗の両端から、抵抗がサンドイッチになるように反対向きに印加した場合、やはり電流は流れないので(エネルギーゼロなので)、何の変化も起こらないでしょうか?イメージ的には、電流が流れなくても、抵抗内部に両端から電圧が印加され押しくら饅頭になって、エネルギーが蓄積されているような気がするのですが、抵抗内部は静かなものなのしょうか?(P=IVからすれば確かにエネルギーゼロですが、イメージが湧きません。)

ツェナダイオードという半導体があります。ある電圧になると、雪ダルマ式に電流が流れる素子ですが、これは、電流が流れない電圧のときには、エネルギーが蓄積されているのでしょうか?やはり絶縁体と同様に、0.5xCxV^2Jのエネルギーが蓄えられるのでしょうか?

補足日時:2006/05/03 12:46
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エネルギー保存の法則の観点から、エネルギーが増えるという言葉は適切ではないと考えます。



さてご質問の件ですが、絶縁体(もしくは抵抗体)で消費されるエネルギー(熱エネルギーに変換)は、E*E/R ですからR(抵抗値)が無限大とすれば、エネルギー消費はゼロと言うことになります。
後者の場合は、I*I*R ですから Iがゼロならば同様にエネルギー消費はゼロと言うことになります。
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http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1222281602

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コンデンサーにたまっていた電荷が放電する場合ですからそれに合わせて考える必要があります。
#2に場面の説明と図があります。(抵抗Rを入れておく方が分かりやすいでしょう。)
その図で言うと電流の向きは反時計回りです。
この向きは+Qのある極板(Aとします)から-Qのある極板(Bとします)に向かって電荷が移動するということで決まります。逆は起こりません。電流が流れれば極板の上の電荷は減少します。
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I=dQ/dt
Q=CV
I=(E-V)/R  ・・・  (Eは電池の起電力)

t=0でQ=0という条件で解くと
Q=CE(1-exp(-t/(CR)))

t→∞でQ=CEです。
充電できました。

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各素子に流れる電流は向きも大きさも違うのではと思ったのです

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どこが間違っているのでしょうか
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抵抗の電圧→VR
コンデンサの電流→IC
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Aベストアンサー

No. 2 です。 
2/12 の並列回路の図の数値がはっきりしませんが、一応、コイルの側の枝について3Ωの抵抗と4Ωのコイル、コンデンサ側の枝について1Ωの抵抗と1Ωのコンデンサとしておきます(コンデンサが√3Ωのようにみえるが、回路の右のベクトル図から見ると、1Ωのように見える)。惜しいところで、計算を間違えているようです。
ということで、計算してみると次のようになります。

この回路について、I1, I2 を求めると、

  I1 = 10/(3 + j4) = 2(3 - j4)/5
  I2 = 10/(1 -j1) = 5(1 + j1) (普通は、j1 とは書かないと思いますがここでは、jの係数をはっきりさせる意味で書いておきます。)
  I = I1 + I2 (計算してください。)
となります。この電流をもとに、各素子の電圧を求めると、

  VR = 3 x I1 = 6(3 - j4)/5, VL = j4 x I1 = 8(4 + j3)/5
  VR' = 1 x I2 = 5(1 + j1), VC = -j1 x I2 = 5(1 - j1)

となります。
あなたの疑問を解決するためには、少し回り道ですが、これらの値でいくつかのベクトル図を描いてみてください。

まず、I1 を複素平面に描く。それから、VR, VL を同じ複素平面に描く。すると、I1 と VR とが同じ向きになっていることが分かると思います。VL は、VR(I1) から、+90度回った方向に描かれていることもわかると思います。そして、2つの電圧を合成した結果は、10 + j0 となっているでしょう。
同じことを、I2, VR', VC でもします。すると、VC は、VR'(I2) から、- 90度回った方向に描かれていることが分かると思います。

今描いたベクトル図を、電流基準で見直します。ということは、ベクトル図の電流方向に実軸を合わせて、ベクトル図を見るということです。すると、電流、電圧の関係は同じでも、なんとなく見え方が違っていることが分かると思います。

これで、どうでしょうか。

並列回路の場合、各枝の電流が違っていますから、そのうちのどれかを基準にして、ベクトル図を描くのは良い方法ではないことが分かります。各枝の電圧は同じですから、それを基準にベクトル図を考えるのが良いということも分かると思います(ただし、慣れていないうちは、混乱するから、ベクトル図を描くときには、電流を基準にして描くことにしておいた方が安全だと思います)。

No. 2 です。 
2/12 の並列回路の図の数値がはっきりしませんが、一応、コイルの側の枝について3Ωの抵抗と4Ωのコイル、コンデンサ側の枝について1Ωの抵抗と1Ωのコンデンサとしておきます(コンデンサが√3Ωのようにみえるが、回路の右のベクトル図から見ると、1Ωのように見える)。惜しいところで、計算を間違えているようです。
ということで、計算してみると次のようになります。

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無負荷時はI3(励磁電流)のみ流れています。

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I1、I2共にコイルを通っているにも関わらず位相が遅れない理由はなぜでしょうか?
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>I2=(N1/N2)I1はどう計算したのでしょうか?

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Q物理学の回路です この問題で始めのインダクタンスと抵抗の並列回路に 流れる電流は電圧に対し遅れ位相と

物理学の回路です
この問題で始めのインダクタンスと抵抗の並列回路に
流れる電流は電圧に対し遅れ位相とあるのに
キャパシタンスの場合は場合分けするのは
何故でしょうか?

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前半の、インダクタンスと抵抗の並列回路では、インダクタンスと抵抗に同位相の電圧 V がかかります。
このとき、

(a) 抵抗に流れる電流:IR = V/R  ①
(b) インダクタンスに流れる電流:IL = V/jωL = -jV/ωL  ②

ですから、複素平面上に書いてみれば分かるように

(a) IR は V と同位相
(b) IL は V (つまり IR )に対して 90°遅れ

で、合成電流は
  I1 = IR + IL = V/R - jV/ωL
です。この電流の「実効値」は、実数・複素数のベクトルを合成した「波高値」の 1/√2 倍で
  Im1 = √[(V/R)² + (V/ωL)²] /√2
ということになります。

 これは②が「-j」であるので、「遅れ位相のみ」で一義的に決まります。

 これに対して、後半でさらにキャパシタンスを並列に加わるので、

(c) キャパシタンスに流れる電流:IC = V/(1/jωL) = jVωC  ③

を加えないといけません。このときには

(c) IC は V (つまり IR )に対して 90°進み

で、合成電流は
  I2 = IR + IL + IC = V/R + j[ VωC - V/ωL ]   ④
です。

 このときの「全電流」(実効値ではない波高値)は、実数・複素数のベクトルを合成した
  IT = √[(V/R)² + (VωC - V/ωL)²]   ⑤
ですから、
  VωC - V/ωL = ± √[ IT² - (V/R)² ]
 → VωC = V/ωL ± √[ IT² - (V/R)² ]
の2つの場合で「全電流が 10√2 A」になり得ます。
 つまり、④の複素数成分
  VωC - V/ωL
が「正の場合(進み位相)」と「負の場合(遅れ位相)」の場合の2つで、全電流⑤が同じ値をとります。


 この問題に限らず、インダクタンスとキャパシタンスとが混在する場合には、合成インピーダンスが「進み位相」となるか「遅れ位相」となるかを「場合分け」しないといけない場合が多いです。
 インダクタンスとキャパシタンスのどちらか一方だけの場合には、「進み」「遅れ」が一義的に決まるので、場合分けの必要はありません。

前半の、インダクタンスと抵抗の並列回路では、インダクタンスと抵抗に同位相の電圧 V がかかります。
このとき、

(a) 抵抗に流れる電流:IR = V/R  ①
(b) インダクタンスに流れる電流:IL = V/jωL = -jV/ωL  ②

ですから、複素平面上に書いてみれば分かるように

(a) IR は V と同位相
(b) IL は V (つまり IR )に対して 90°遅れ

で、合成電流は
  I1 = IR + IL = V/R - jV/ωL
です。この電流の「実効値」は、実数・複素数のベクトルを合成した「波高値」の 1/√2 倍で
  Im1 = √[(V/R)² + (V/ωL)²] /...続きを読む

Q変圧器の二次側電流についてですが、 一次側の電圧をV1、電流をI1 二次側の電圧をV2、電流をI2

変圧器の二次側電流についてですが、

一次側の電圧をV1、電流をI1
二次側の電圧をV2、電流をI2
容量を1000VA

とすると1000V/100Vの変圧器の場合二次側電流I2はV1I1=V2I2より10Aとなります

電圧は巻き数比によって固定、電流は(まだ負荷をつけてませんので流れませんが)V1I1=V2I2より固定なのでかわらずですが
ここに100Ωの抵抗をつけた場合電圧100V、抵抗100Ωなのでオームの法則から計算すると1Aなのに皮相容量一定の考えからだと10A流れなければおかしい事になります

これはどう考えたらよいのでしょうか

Aベストアンサー

No2です(^^)
発電所から流れ出る電流は変化する事になります(`・ェ・´ノ)ノ
発電所では、もちろん電磁誘導を利用して電気を起こしていますが、
発電機に電流が流れれば流れるほど、発電機は”重く”なります(◎◎!)
これは、電磁力が発電機の変化(つまり回転)を妨げるように働く事によります(-_-)
ですから、負荷に大きな電流を流すためには、発電機に大きな力を加えて発電させる必要があります。
負荷での消費電力が大きければ、発電機を回すためのエネルギーも大きくなる・・・エネルギー保存則を考えなければ、当然と言えば当然ですね(^^)

参考になれば幸いです(^^v)

Q絶縁体を並行な電極で挟んで 電圧Voを印加する。 片側の電極は透明材料で形成。 非常に短いパルス状の

絶縁体を並行な電極で挟んで
電圧Voを印加する。

片側の電極は透明材料で形成。
非常に短いパルス状の光が透明電極側から絶縁体に入射する。
光は絶縁体の表面で吸収される。
(キャリアの熱励起と電極からの注入はないとする。)

1)この材料のバンドギャップは4.00eVである。光電効果が起こるために必要な光の波長の上限を求めよ。単位はnmとする。

2)電圧を印加してから十分な時間が経過して、絶縁体中に一様に固定電荷密度ρが形成されたとする。この時絶縁体の厚さ方向の位置xにおける電位V(x)について次の2階の微分方程式が成り立つ。空欄をうめよ。

d^2V/dx^2=[ ]

3)境界条件をV(0)=Vo, V(d)=0として上の微分方程式を解くと、絶縁体中の電解分布E(x)が次式の通り求められる。空欄をうめよ。
E(x)=ρ/2εrεo(2x-d)+[ ]

d:絶縁体の厚さ εr:非誘電率 εo:真空での誘電率


この問題解けるかたいますか?

Aベストアンサー

なんか変な問題ですね。
1)は「光電効果」ですが、2)3) とは何の関係もないと思います。電子が飛び出した後の「正電荷」が蓄積するというのでしょうか。
2)は空間に分布する電荷の作る電場もしくは静電ポテンシャル、3)はそのある境界条件での解です。

1) 光の振動数を ν とすると、光電効果が起こるためには、プランク定数を h として
  hν ≧ 4 (eV) ≒ 4 * 0.1602 * 10^(-18) (J) = 6.408*10^(-19) (J)
よって
  ν ≧ 6.408*10^(-19) (J) / h = 6.408*10^(-19) (J) / (6.626 * 10^(-34) (Js))
   ≒ 9.67*10^14 (1/s)
光の速度を c=2.998*10^8 (m/s) として、この ν に相当する波長 λ は
  λ ≦ c/ν = 2.998*10^8 / 9.67*10^14 ≒ 0.310*10^(-6) (m)
つまり波長の上限は約 0.31 μm = 310 nm。

以下の問題は、光電効果とは関係なく、一様な電荷密度ρが作る電場として考えます。

2) ガウスの法則より、誘電率を ε = εr*ε0 と書いて(εr:比誘電率、ε0:真空での誘電率)
  div(E(x)) = ρ/ε
この場合には、電場 E(x) は x のみの関数なので
  dE(x)/dx = ρ/ε
ということになります。

 また、-grad(V) = E(x) ですが、これも x のみの関数なので
  dV/dx = -E(x)

 以上から
  d^2V/dx^2 = -ρ/ε   (A)

3) 上記(A)を解いて、 V(x) を求めると

  E(x) = -(1/ε)∫ρdx = -ρx/ε + C1
  V(x) = ∫(-ρx/ε + C1)dx = -ρx^2/2ε + C1x + C2

初期条件より
  V(0) = C2 = V0
  V(d) = -ρd^2/2ε + C1d + V0 = 0
  → C1 = (ρd^2/2ε - V0)/d = ρd/2ε - V0/d

よって
  V(x) = -ρx^2/2ε + (ρd/2ε - V0/d)x + V0

これより
  E(x) = -dV/dx
     = ρx/ε - ρd/2ε + V0/d
     = (ρ/2ε)(2x - d) + V0/d

なんか変な問題ですね。
1)は「光電効果」ですが、2)3) とは何の関係もないと思います。電子が飛び出した後の「正電荷」が蓄積するというのでしょうか。
2)は空間に分布する電荷の作る電場もしくは静電ポテンシャル、3)はそのある境界条件での解です。

1) 光の振動数を ν とすると、光電効果が起こるためには、プランク定数を h として
  hν ≧ 4 (eV) ≒ 4 * 0.1602 * 10^(-18) (J) = 6.408*10^(-19) (J)
よって
  ν ≧ 6.408*10^(-19) (J) / h = 6.408*10^(-19) (J) / (6.626 * 10^(-34) (Js))
   ≒ 9.67*1...続きを読む

Q電気の電流の話の続きです。 V I=- R コイル 2πfL コンデンサ 1 - 2πfL コイルは

電気の電流の話の続きです。
V
I=-
R

コイル 2πfL

コンデンサ

1
-
2πfL

コイルは100V、50Ωだと2Aの電流が流れる。

60Ωになると1.6Aで電流が減少する。

コンデンサは2πfLの逆数だから100V*50Ωとなる。

するとコンデンサの電流は500Aになる。

60Hzになると600Aになる。

同じ抵抗値のコイルとコンデンサでコイルは2Aでコンデンサは500Aになるって本当に合ってるんですか?

500Aって凄すぎませんか?

コンデンサだと電流は50Hzから60Hzになると電流は増加するっていうのが答えですか?

でも本にはコンデンサは電流は60Hzになると減少するって書いてて意味が分からない。

結局答えは

コイルは電流が減少してコンデンサは電流が増加するで良いんですか?

Aベストアンサー

基礎のお勉強(知識)が無いと、お話しは難しいでしょう。

> コイルは電流が減少してコンデンサは電流が増加するで良いんですか?
直列に接続されていれば、周波数が上がるとそうなります。
コイルLのインピーダンスZLは、ZL=j*2*pi*F*L
コンデンサーCのインピーダンスZCは、ZC=1/(J*2*pi*F*C)になります。

V*I=-R …これは意味不明
V*I は、一般的には電力です。

Q絶縁体に高い電圧をかけると電流が流れるのは何故です

絶縁体に高い電圧をかけると電流が流れるのは何故ですか?

Aベストアンサー

絶縁物といっても非常に電気が流れにくいだけで
完全にゼロということはありません。
又絶縁物の表面を流れる電流もバカになりません。↓URL

これらは高電圧をかけてみないと測定できないくらいの僅かな量なのです。

さらに電圧を上げると絶縁破壊を起こします。

参考URL:http://www.jeea.or.jp/course/contents/02105/


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