物理 電磁気学

振動回路②

羽白 いむ

東京大学医学部医学科卒 現役医師
東大指導専門塾鉄緑会 物理・数学科元講師
物理基礎のトリセツ著者
数学のトリセツ共著者

$\rmL\rmC$ 振動回路の性質

角周波数

$\rmL\rmC$ 振動回路の“角振動数”は,$\omega=\mskip 4mu\bun{1}{\sqrt{LC}\mskip 5mu}$ です。

ただし,ここでは“角振動数”と呼ばずに,角周波数と呼びます。

羽白

名前は変わりますが,意味しているものは同じです。

周期

振動の周期 $T$ については単振動と全く同様に計算できます。
$$T=\mskip 4mu\bun{2\pi}{\omega}\mskip 5mu=2\pi\sqrt{LC}$$となりますね。また,周波数 $f$ は,
$$f=\mskip 4mu\bun{1}{T}\mskip 5mu=\mskip 4mu\bun{1}{2\pi\sqrt{LC}\mskip 5mu}$$と計算できます。

いずれもよく問われるので暗記してしまってokですが,$\omega$ だけ覚えておいて,$T$ と $f$ はその場で計算するのがよいでしょう。

LC 振動回路の性質

自己インダクタンス $L$ のコイル,電気容量 $C$ のコンデンサーからなる $\rmL\rmC$ 振動回路の角周波数は,$\omega=\mskip 4mu\bun{1}{\sqrt{LC}\mskip 5mu}$ である。

周期 $T$ は,$T=\mskip 4mu\bun{2\pi}{\omega}\mskip 5mu$ を用いて,$T=2\pi\sqrt{LC}$,周波数 $f$ は,$f=\mskip 4mu\bun{1}{T}\mskip 5mu$ を用いて,$f=\mskip 4mu\bun{1}{2\pi\sqrt{LC}\mskip 5mu}$ と求められる。

$\rmL\rmC$ 振動回路のエネルギー

実際の計算

$Q=Q_0\cos\mskip 6mu\bun{1}{\sqrt{LC}\mskip 5mu}t$,$I=-\mskip 6mu\bun{Q_0}{\sqrt{LC}\mskip 5mu}\sin\mskip 6mu\bun{1}{\sqrt{LC}\mskip 5mu}t$ として,回路のエネルギーを計算してみましょう。

コンデンサーとコイルの蓄えるエネルギーの和 $U$ は,
$$\begin{aligned}U&=\mskip 4mu\bun{Q^2}{2C}\mskip 5mu+\mskip 4mu\bun12LI^2\\&=\mskip 4mu\bun{Q_0\!^2}{2C}\mskip 5mu\cos^2\mskip 6mu\bun{1}{\sqrt{LC}\mskip 5mu}t+\mskip 4mu\bun{Q_0\!^2}{2C}\mskip 5mu\sin^2\mskip 6mu\bun{1}{\sqrt{LC}\mskip 5mu}t\\&=\mskip 4mu\bun{Q_0\!^2}{2C}\mskip 5mu\end{aligned}$$として計算できます。

これは $t$ によらない一定値であり,回路でエネルギーが保存されていることがわかりますね!

LC 振動回路のエネルギー保存

$\rmL\rmC$ 振動回路におけるエネルギーは保存される。すなわち,

$$\bun{Q^2}{2C}\mskip 5mu+\mskip 4mu\bun12LI^2=\stext{\hspace{-.5em}(一定)}$$

が成立する。

例題

自己インダクタンスが $L$ のコイル $\rmL$,電気容量が $C$ のコンデンサー $\rmC$ を図の通りに接続する。時刻 $t=0$ において,コンデンサーには $Q_0$ の電気量が蓄えられており,コイルに電流は流れていないものとする。

物理1007

コイルに流れる電流の最大値 $I_0$ を求めよ。

コイルに流れる電流が初めて最大となる時刻 $t_1$ を求めよ。

コイルに流れる電流が最大となるとき,コンデンサーに蓄えられている電気量は $0$ である。

よって,エネルギー保存則より,
$$\bun{Q_0\!^2}{2C}\mskip 5mu=\mskip 4mu\bun12LI_0\!^2\qquad \therefore I_0=\mskip 4mu\bun{Q_0}{\sqrt{LC}\mskip 5mu}$$

時刻 $t=0$ の直後に電流が流れ始める向きを正の向きとする。

電流 $I$ の時間変化の様子は次図の通り。

物理1008

電気振動の周期は,
$$T=2\pi\sqrt{LC}$$であり,求める時刻 $t_1$ は $t_1=\mskip 4mu\bun14T$ であることがグラフからわかるので,
$$t_1=\mskip 4mu\bun14T=\mskip 4mu\bun{\pi}{2}\mskip 5mu\sqrt{LC}$$

-物理, 電磁気学