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物理の問題でどうしても分からないのでどうか教えてください

コンデンサー1(電気容量c)、コンデンサー2(電気容量2c)、抵抗器(抵抗2r)が直列回路を形成しています。はじめコンデンサー1には2cvの電気量が蓄えられ、コンデンサー2は電荷はたまっていませんでした。十分時間が経過した後のコンデンサー2に溜まった電荷、抵抗器で消費されたエネルギーをもとめよ。

という問題がありました。解答をみると
電荷保存から、コンデンサー2に溜まった電荷は4cv/3 コンデンサー1には2cv/3
となっていたのですが(ちなみに抵抗器で消費したエネルギーは4cv'2/3でした)、
抵抗器で消費したエネルギーがあるのに、電荷保存って成り立つのですか?

そもそも抵抗で消費されるエネルギーとはどんなものですか?
電荷とは関係の無いものなのですか?

間の抜けた質問だったらすいません
どうか教えてください。

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A 回答 (2件)

2つのコンデンサー A(容量c),B(容量2c)


a   b
|   |
=   =
|   |
a'   b'

・まず、コンデンサーAの端子a,a' に電源につないで充電します。
  電源電圧は2vです(・・・変な設定ですね。vでいいはずですが)。
  aの方を(正)だとします。
・電源を切り離してコンデンサーBと接続します。
  aとb、a'とb' をつなぎます。
  a,bの間に抵抗(2r)を挟みます。
  これで回路ができます。

・aには+2cvの電荷が溜まっていました。bには電荷がありません
 aからbに電荷が移動します。しかし、初めにあった電荷2cvはなくなりません。a,bの両方に別れて存在するだけです。電荷の保存が成り立つというのは大きな原理です。aとa'をつないだのであれば+、-が打ち消しになりますがaとbをつないでいます。qa+qb=2cvです。

・qa、qbはどういう風に決まるでしょうか。
 Aの極板の間の電位差とBの極板の間の電位差が等しいという条件から決まります。
 qa/c=qb/2c
 この2つの式を連立させるとqa=2cv/3、qb=4cv/3が得られます。
この時の電位差はv'=2v/3です。

・A,Bの間に抵抗がなければA,Bの間の電荷の移動がいつまでたっても収まらなくなります。振動電流が流れ続けるのです。

・電流が抵抗の中を流れるとジュール熱が発生します。
 電位差が等しいという条件が成り立つと電荷の移動がなくなりますので熱の発生もなくなります。
 
・初めに2cvの電荷をコンデンサーAに溜めていた時のエネルギーとqaをAに,qbをBに溜めている時のエネルギーの差が抵抗で失ったエネルギーです。
(1/2)c(2v)^2 - {(1/2)c(v')^2+(1/2)2c(v')^2}
 =(4/3)cv^2

・この辺の事情は連通管と水で考えるのが理解しやすいでしょう。
コックでつながった太さが一様なガラス管C,Dを考えます。C,Dはコックでつながっています。
Dの断面積はCの2倍です。
初めコックを閉じておきます。Cに水を深さがhになるように入れます。
コックを開くと水がCからDに移動します。水の移動が収まった時の水の深さはいくらになるでしょうか。
C,Dをつなぐパイプが太いと液面が振動します。
細いとゆっくりと液面が変化して液面の振動がほとんど起こらないようになります。
どちらの場合でも移動が収まった時の深さは同じになります。液面は落ち着くまでの時間に違いが出てくるのです。
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回答が間違っていると思います。


直列回路が構成されているのだからコンダンサー1のエネルギーは全て抵抗で熱になります。
(コンデンサー1、2の電荷はゼロです。)
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Q電気量保存の法則ってなんですか?

私は高3で、今テスト週間です。
まだてつかづの物理の教科書(コンデンサーの分野)を読んでいると「電気量保存の法則」といきなりでてきたのですが、どんな法則なのかどこにも書いていなくてまったくわかりません、どなたかご存知の方、できるだけ詳しく説明をください!

Aベストアンサー

 
 
>> 今テスト週間です。 <<

 では、気分転換に。(ややこしい法律用語のような話なので覚える必要はありませんよ) 電気量も電荷(でんか)も物理用語でして、
【 電荷 】
 電気現象を起こす実体(じったい)に付けた名前です。正直まだその実体=正体は不明です。(*)
【 電気量 】
 物質の持つ電荷の量です。 正体不明だけど個数として数えられることを経験的に発見しました。しかし以前からのしがらみがあってクーロンという単位で数えています。



野球のイチローに例えると、
  電気現象 ⇔ イチロー人気現象
  電荷    ⇔ 鈴木イチロー
  電気量   ⇔ 野球センス(素質)
  質量    ⇔ 体重 kg
  大きさ   ⇔ 身長 cm
こんな感じです。


 人類は経験から「すべての電気量は『ある値』の整数倍になってるらしい」ことを知りました(**)。その電気量を 電気素量 と言い、記号でeと書きます。 電子の電気量が1eです。 日常では「電子の電荷は1.6×10-19乗クーロン‥」などと言いますが堅い文章を書くときは使い分けします。お使いの教科書もそのようですね。



(**)
本には「ミリカンの油滴(ゆてき)実験で決定された」とか書かれてましたが、残念ながらこの実験は、都合の悪いデータを捨てた「作品」の疑いの方が決定的で「人としてやってはいけない見本、でもやった者勝ちでノーベル賞」という暗黒面でも有名です。
http://web.kanazawa-u.ac.jp/~shiryo/butsuri/91.html
http://www68.pair.com/willisb/millikan/apparatus.JPG
↓こんなことをやらされたりします。
http://www2.denshi.numazu-ct.ac.jp/~kazuhiro/exp/4011/
↑の最後に「誤差の原因を検討せよ」とかありますね、結果、ここ(Q&Aサイト)が繁盛したりします w



 他にも多種多様な実験をやった結果;
電子は電気素量そのものを持ってるので「電流とは電子なのである」と思ってしまいそうだが、電子は消し去ることもできる。しかし電気量は「どんな実験をくわだててチャレンジしても 作ることも消すこともできなかった。ただ移動させて局所的に増減させることができるだけだった」ので、 理由は判らないのだが「あらゆる物質の 電気量の総和は 不変である」と決めつけてよさそうだ。← これが御質問への一応の答えです。経験則(けいけんそく)ですから例外が発見されて破れるかも知れないのです。
 で、それに前後して なぜ不変なのか理論的な理由付けが なされました(ゲージ理論といいます)。ただし 全てが解明されたのではなく 言わば「犯人の背後組織が解明され、犯人の行動は その組織の規則によるものだと判った。だがその組織を支配してる背後組織が存在してるのは明らかで‥」のような状態で現在進行形です。(永遠に続くのかも知れません。)
 イチローの例で言えば、素質 とは 遺伝子 が背後にあるのだ、と一歩進んだ?ような状況です。



 コンデンサに限らず、電気回路(含む電子回路)は全て 電気量保存の式を使って解きます。 電気には様々な式が「これでもか!」と登場しますが、その全ての根本は 電気量の保存法則 と エネルギ保存法則、この2つです。(高校では習わないかも知れませんがキルヒホフという物理学者が電気に特化して作った式を使います。)
 そしてお馴染みの「オームの法則」は、保存則ではなく「電気抵抗」を定義/導入するものです。理論の構築にはこれが突破口でした。


 コンデンサは電流は通らないと覚え込んでませんか。交流(常に変化してる)電流は実際に身の回りで通ってますよね。「電流とは電荷の流れである」とすれば前者は説明できても後者の説明に窮しますね。そこで「電流は電荷の流ればかりではない」と拡張されました。真空や絶縁物の中を堂々と通る電流です。(以下略)



(**)
 「電荷」は electric charge の直訳です。静電気を帯びるものをエレクトリカ(コハクのようなもの)、それが charge=込められてる、という意味です。静電気の電気ショックを想像して下さい、弾が込められてる銃と同様の意味合いです。 ところが charge の元の意味が「荷物を積む」なので そっち系で訳してしまったんでしょう。でも今は荷の方がよかったです。
 「電気量」は Quantity of electricity の直訳。electricity は electrica+ity
 
 

 
 
>> 今テスト週間です。 <<

 では、気分転換に。(ややこしい法律用語のような話なので覚える必要はありませんよ) 電気量も電荷(でんか)も物理用語でして、
【 電荷 】
 電気現象を起こす実体(じったい)に付けた名前です。正直まだその実体=正体は不明です。(*)
【 電気量 】
 物質の持つ電荷の量です。 正体不明だけど個数として数えられることを経験的に発見しました。しかし以前からのしがらみがあってクーロンという単位で数えています。



野球のイチローに例えると、
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