問1真空中で、半径 a [m] の絶縁体の球の全体に、総電荷 Q [C] が体積密度一様に分布している。真空の誘電率を ε0 [F/m] とするとき、球の中心から距離 r [m](r < a)の点における電界の強さ E [V/m] として正しいものを選べ。
- aE = Q/(4πε0r²)
- bE = Q/(4πε0a²)
- cE = Qr/(4πε0a³)
- dE = 3Qr/(4πε0a³)
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正解:c. E = Qr/(4πε0a³)
正解は「E = Qr/(4πε0a³)」。中心から半径 r の同心球面にガウスの法則を適用する。この球面内の電荷は Q×(r/a)³ なので、4πr²E = Q(r/a)³/ε0 より E = Qr/(4πε0a³) となり、電界は中心からの距離に比例する。「E = Q/(4πε0r²)」は誤り。E = Q/(4πε0r²) は球の外側(r > a)の式であり、内部では球面内の電荷が Q より小さい。「E = Q/(4πε0a²)」は誤り。E = Q/(4πε0a²) は球の表面(r = a)での値で、内部で一定になるわけではない。「E = 3Qr/(4πε0a³)」は誤り。係数 3 は不要である。球面内電荷の体積比 (r/a)³ を用いれば 3 は現れない。
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問2真空中に、半径 a [m] の無限に長い円柱があり、内部に体積密度 ρ [C/m³] で一様に帯電している。円柱の軸から距離 r [m](r > a)の点における電界の強さ E [V/m] として正しいものを選べ。ただし、真空の誘電率を ε0 [F/m] とする。
- aE = ρa²/(2ε0r)
- bE = ρa²/(2πε0r)
- cE = ρr/(2ε0)
- dE = ρa²/(4ε0r)
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正解:a. E = ρa²/(2ε0r)
正解は「E = ρa²/(2ε0r)」。軸の長さ l の同軸円筒面(半径 r)にガウスの法則を適用する。内部の電荷は ρπa²l で、側面積は 2πrl なので、2πrl·E = ρπa²l/ε0 となり、E = ρa²/(2ε0r) が得られる。線電荷密度 λ = πa²ρ の無限長直線電荷の電界 λ/(2πε0r) と一致する。「E = ρa²/(2πε0r)」は誤り。E = ρa²/(2πε0r) は、線電荷密度を λ = ρa² として扱った誤りで、断面積 πa² の π が抜けている。「E = ρr/(2ε0)」は誤り。E = ρr/(2ε0) は円柱の内部(r < a)での値である。外部の r > a では使えない。「E = ρa²/(4ε0r)」は誤り。係数 1/4 は誤り。ガウスの法則の計算では分母に 2 が現れ、4 にはならない。
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問3真空中に、無限に広い2枚の平行な平面導体板が置かれ、一方に面電荷密度 +3σ [C/m²]、他方に −σ [C/m²](σ > 0)の電荷が一様に分布している。2枚の板の間の領域と、板の外側の領域の電界の強さを順に並べたものとして正しいものを選べ。ただし、真空の誘電率を ε0 [F/m] とし、板の厚さは無視する。
- a間:2σ/ε0、外側:0
- b間:σ/ε0、外側:2σ/ε0
- c間:4σ/ε0、外側:2σ/ε0
- d間:2σ/ε0、外側:σ/ε0
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正解:d. 間:2σ/ε0、外側:σ/ε0
正解は「間:2σ/ε0、外側:σ/ε0」。無限平面1枚の電界は面電荷密度の大きさを s として s/(2ε0) である。板の間では2枚の電界が同じ向きに加わり (3σ+σ)/(2ε0) = 2σ/ε0、外側では逆向きに打ち消し合って (3σ−σ)/(2ε0) = σ/ε0 となる。「間:2σ/ε0、外側:0」は誤り。外側が 0 になるのは、2枚の電荷の大きさが等しい(+σ と −σ)場合である。本問では 3σ と σ で異なるため 0 にならない。「間:σ/ε0、外側:2σ/ε0」は誤り。間と外側を取り違えている。間は同じ向きに加算されるので大きく、外側は打ち消されて小さい。「間:4σ/ε0、外側:2σ/ε0」は誤り。1枚当たりの電界 s/(2ε0) の 1/2 を忘れた誤りで、間は 4σ/ε0 ではなく 2σ/ε0 である。
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問4真空中に、半径 a の導体球(電荷 Q)と、これと同心の導体球殻(内半径 b、外半径 c、電荷は 0)がある。無限遠を電位 0 としたとき、内側の導体球の電位は何 V か。ただし、1/(4πε0) = 9.0×10⁹ N·m²/C²、Q = 1.0×10⁻⁹ C、a = 0.10 m、b = 0.20 m、c = 0.25 m とする。
- a45 V
- b81 V
- c90 V
- d54 V
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正解:b. 81 V
正解は「81 V」。導体球殻の内面に −Q、外面に +Q が誘導される。電界は a<r<b と r>c で Q/(4πε0r²)、殻の内部(b<r<c)で 0 である。電位は積分して V = {Q/(4πε0)}(1/a − 1/b + 1/c) = 9×10⁹×10⁻⁹×(10 − 5 + 4) = 81 V となる。「45 V」は誤り。45 V は外側の領域(r>c)の寄与 1/c を落とし、(1/a − 1/b) だけで計算した値である。「90 V」は誤り。90 V は殻がないものとして Q/(4πε0a) だけを計算した値で、殻の誘導電荷の影響を無視している。「54 V」は誤り。54 V は殻の内面(半径 b)の項を落とし、(1/a − 1/c) として計算した値である。内面に誘導される −Q の寄与 −1/b が必要である。
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問5真空中に、半径 0.10 m の円形コイル(1巻)があり、5 A の電流が流れている。コイルの中心における磁界の強さ H [A/m] はいくらか。
- a50 A/m
- b12.5 A/m
- c25/π A/m
- d25 A/m
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正解:d. 25 A/m
正解は「25 A/m」。ビオ・サバールの法則から、半径 a の円形電流 I がつくる中心の磁界は H = I/(2a) である。H = 5/(2×0.10) = 25 A/m となる。「50 A/m」は誤り。50 A/m は H = I/a としたもので、係数 1/2 が抜けている。「12.5 A/m」は誤り。12.5 A/m は H = I/(4a) と係数を 1/4 とした誤りである。「25/π A/m」は誤り。25/π A/m は無限長直線電流の式 I/(2πr) に r = 0.10 m を代入した値で、円形電流には使えない。
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問6真空中で、間隔 0.2 m の平行な2本の長い直線導線に、大きさの等しい 10 A の電流が互いに逆向きに流れている。2本の導線を含む平面内で、両導線から等距離(各 0.1 m)にある点の磁界の強さ H [A/m] として正しいものを選べ。
- a0 A/m
- b100/π A/m
- c50/π A/m
- d200/π A/m
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正解:b. 100/π A/m
正解は「100/π A/m」。無限長直線電流 I から距離 r の点の磁界は H = I/(2πr) である。両導線の間の点では、逆向きの電流がつくる磁界が同じ向きになり強め合う。1本分は 10/(2π×0.1) = 50/π なので、合計は 100/π A/m となる。「0 A/m」は誤り。0 A/m になるのは電流が同じ向きの場合である。往復電流では導線の間で磁界が加算される。「50/π A/m」は誤り。50/π A/m は1本の導線がつくる磁界だけで、もう一方の寄与を足していない。「200/π A/m」は誤り。200/π A/m は、1本分の磁界を I/(πr) と 2 を落として求めた上で足し合わせた値で、大きすぎる。
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問7巻数 200 のコイルを貫く磁束が、0.1 s の間に 5.0 mWb から 2.0 mWb まで一様に減少した。コイルに誘導される起電力の大きさは何 V か。
- a6 V
- b10 V
- c0.6 V
- d0.03 V
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正解:a. 6 V
正解は「6 V」。ファラデーの電磁誘導の法則 e = N|ΔΦ/Δt| を用いる。磁束の変化は 3.0 mWb で、e = 200×3.0×10⁻³/0.1 = 6 V となる。「10 V」は誤り。10 V は変化量でなく初めの磁束 5.0 mWb を使って 200×5.0×10⁻³/0.1 と計算した値である。「0.6 V」は誤り。0.6 V は 200×3.0×10⁻³ で、時間 0.1 s で割る操作を忘れている。「0.03 V」は誤り。0.03 V は巻数 200 を掛けずに 3.0×10⁻³/0.1 とした値である。
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問8磁束密度 0.5 T の一様な磁界の中で、長さ 0.4 m の導体棒が、一端を中心に磁界に垂直な面内を毎分 300 回転で回っている。棒の両端間に生じる誘導起電力の大きさ [V] として正しいものを選べ。
- a0.8π V
- bπ V
- c0.4π V
- d0.2π V
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正解:c. 0.4π V
正解は「0.4π V」。角速度は ω = 2π×300/60 = 10π rad/s である。棒の各部の速度は中心からの距離に比例するので、起電力は e = ∫Bωx dx = Bωl²/2 となる。e = 0.5×10π×0.4²/2 = 0.4π V である。「0.8π V」は誤り。0.8π V は Bωl² として、速度が距離に比例することによる係数 1/2 を忘れた値である。「π V」は誤り。π V は l² でなく l を使って Bωl/2 と計算した誤りである。「0.2π V」は誤り。0.2π V は係数を 1/4 としたもので、半径方向の平均速度を誤って半分にしている。
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問9地表面(無限に広い完全導体の平面とみなす)から高さ h [m] のところに、半径 a [m] の無限に長い円柱導体(電線)が地表面と平行に張られている(a ≪ h)。影像法を用いたとき、電線の単位長さ当たりの対地静電容量 C [F/m] として正しいものを選べ。ただし、真空の誘電率を ε0 [F/m]、ln を自然対数とする。
- aC = 2πε0/ln(h/a)
- bC = 2πε0/ln(2h/a)
- cC = πε0/ln(2h/a)
- dC = 4πε0/ln(2h/a)
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正解:b. C = 2πε0/ln(2h/a)
正解は「C = 2πε0/ln(2h/a)」。地表面の下 h の位置に符号の逆な影像電荷を置く。電線と影像の間隔は 2h なので、電線の電位は V = {λ/(2πε0)}ln(2h/a) となり、C = λ/V = 2πε0/ln(2h/a) が得られる。「C = 2πε0/ln(h/a)」は誤り。ln(h/a) は影像との距離を h と誤ったもので、正しくは電線と影像の間隔 2h を用いる。「C = πε0/ln(2h/a)」は誤り。πε0/ln(2h/a) は2本の平行線間の静電容量 πε0/ln(d/a) に近い形で、対地静電容量の係数 2π とは異なる。「C = 4πε0/ln(2h/a)」は誤り。係数 4π は 2π の誤りで、無限長線電荷の電界 λ/(2πε0r) から導かれる係数は 2π である。
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問10真空中で、無限に広い接地導体平面から 0.10 m の高さに +2.0 μC の点電荷を置いた。この点電荷が導体平面から受ける力の大きさ [N] はいくらか。ただし、1/(4πε0) = 9.0×10⁹ N·m²/C² とする。
- a3.6 N
- b1.8 N
- c0.45 N
- d0.9 N
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正解:d. 0.9 N
正解は「0.9 N」。影像法により、導体面の反対側 0.10 m の位置に −2.0 μC の影像電荷を置く。両者の距離は 0.20 m なので、F = 9.0×10⁹×(2.0×10⁻⁶)²/0.20² = 0.9 N(引力)となる。「3.6 N」は誤り。3.6 N は距離を 0.10 m(導体面までの距離)として計算した値で、影像電荷との距離 0.20 m を使っていない。「1.8 N」は誤り。1.8 N は距離の 2 乗を 2×0.10² = 0.02 として計算した誤りである。「0.45 N」は誤り。0.45 N は正しい値を 1/2 にしたもので、静電エネルギーの考え方と力を混同している。
この問題のページ:真空中で、無限に広い接地導体平面から 0.10 m の高さ… →
問11真空中で、無限に広い接地導体平面から 0.30 m の高さに +1.0 μC の点電荷を置いた。点電荷の真下の導体表面における電界の強さはいくらか。ただし、1/(4πε0) = 9.0×10⁹ N·m²/C² とする。
- a200 kV/m
- b100 kV/m
- c25 kV/m
- d400 kV/m
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正解:a. 200 kV/m
正解は「200 kV/m」。影像電荷 −1.0 μC を導体面の下 0.30 m に置く。真下の表面では、点電荷と影像電荷がつくる電界が同じ向きで、大きさも等しい。E = 2×9.0×10⁹×1.0×10⁻⁶/0.30² = 2.0×10⁵ V/m = 200 kV/m である。「100 kV/m」は誤り。100 kV/m は点電荷だけの電界で、影像電荷による電界を加えていない。「25 kV/m」は誤り。25 kV/m は距離を影像電荷との間隔 0.60 m として1つの電荷分だけを計算した値で、真下の点までの距離は 0.30 m である。「400 kV/m」は誤り。400 kV/m は距離を 0.15 m として計算した値で、導体面までの距離 0.30 m を使っていない。
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問12自己インダクタンスが 0.4 H と 0.9 H の2つのコイルが磁気的に結合しており、結合係数は 0.5 である。2つのコイル間の相互インダクタンス M [H] はいくらか。
- a0.6 H
- b0.15 H
- c0.3 H
- d0.65 H
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正解:c. 0.3 H
正解は「0.3 H」。結合係数 k と相互インダクタンスの関係は M = k√(L1L2) である。M = 0.5×√(0.4×0.9) = 0.5×0.6 = 0.3 H となる。「0.6 H」は誤り。0.6 H は k を掛けておらず、√(L1L2) だけの値(k = 1 の場合)である。「0.15 H」は誤り。0.15 H は k を二重に掛けて 0.5×0.5×0.6 とした誤りである。「0.65 H」は誤り。0.65 H は (L1+L2)/2 の算術平均で、結合係数も幾何平均 √(L1L2) も使っていない。
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問132個のコイルを直列に接続し、磁束が加わり合う向き(和動接続)で合成インダクタンスを測ると 1.4 H、磁束が打ち消し合う向き(差動接続)で測ると 0.6 H であった。2個のコイル間の相互インダクタンス M [H] はいくらか。
- a0.2 H
- b0.4 H
- c0.8 H
- d1.0 H
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正解:a. 0.2 H
正解は「0.2 H」。和動接続の合成は L1+L2+2M、差動接続の合成は L1+L2−2M である。その差は 4M なので、M = (1.4−0.6)/4 = 0.2 H となる。「0.4 H」は誤り。0.4 H は差を 2 で割った値で、差が 4M であることを 2M と誤っている。「0.8 H」は誤り。0.8 H は両者の差そのもので、4 で割る操作を忘れている。「1.0 H」は誤り。1.0 H は両者の平均 (1.4+0.6)/2 で、これは L1+L2 であり相互インダクタンスではない。
この問題のページ:2個のコイルを直列に接続し、磁束が加わり合う向き(和動接続… →
問14コイル A とコイル B があり、両者の相互インダクタンスは、B の向きの角度 θ によって M = M0cosθ で表される(M0 = 20 mH は θ = 0 のときの値)。θ を 60° に固定し、A に実効値 5 A、角周波数 100π rad/s の正弦波交流を流した。B に誘導される起電力の実効値 [V] として正しいものを選べ。
- a10π V
- b2.5π V
- c5√3π V
- d5π V
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正解:d. 5π V
正解は「5π V」。θ = 60° のとき M = 20×cos60° = 10 mH である。B の誘導起電力の実効値は E = ωMI なので、E = 100π×10×10⁻³×5 = 5π V(約 15.7 V)となる。「10π V」は誤り。10π V は θ = 0 の M0 = 20 mH をそのまま用いた値で、cos60° を掛けていない。「2.5π V」は誤り。2.5π V は cos60° を二重に掛けて M = 5 mH とした値である。「5√3π V」は誤り。5√3π V は cos60° の代わりに sin60° を用いた値で、θ の定義に合わない。
この問題のページ:コイル A とコイル B があり、両者の相互インダクタンス… →
問15起電力 12 V・内部抵抗 2 Ω の電池と、起電力 6 V・内部抵抗 3 Ω の電池を同じ極性どうしで並列に接続し、その両端に 6 Ω の抵抗を接続した。この抵抗の端子電圧は何 V か。
- a9.6 V
- b8 V
- c9 V
- d6 V
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正解:b. 8 V
正解は「8 V」。ミルマンの定理から V = (12/2 + 6/3)/(1/2 + 1/3 + 1/6) = (6+2)/1 = 8 V となる。各電池の電流は (12−8)/2 = 2 A と (6−8)/3 = −2/3 A、抵抗の電流は 8/6 = 4/3 A で、節点の電流の和も 0 になる。「9.6 V」は誤り。9.6 V は負荷抵抗 6 Ω を接続しない(開放)ときの電圧で、負荷による電圧降下を考えていない。「9 V」は誤り。9 V は2つの起電力 12 V と 6 V の単純平均で、内部抵抗の違いを無視している。「6 V」は誤り。6 V は起電力の小さい方の電池の値で、並列接続の電圧は両電池の起電力の間で決まる。
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問16起電力 24 V の直流電源(内部抵抗は無視)に、6 Ω の抵抗と 12 Ω の抵抗が直列に接続されている。12 Ω の抵抗の両端を端子とし、テブナンの定理を用いて、端子間に 4 Ω の抵抗 R を接続したときに R を流れる電流 [A] を求めよ。
- a4 A
- b8/3 A
- c2 A
- d1.6 A
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正解:c. 2 A
正解は「2 A」。端子から見た開放電圧は 24×12/(6+12) = 16 V、電源を短絡した内部抵抗は 6×12/(6+12) = 4 Ω である。R = 4 Ω を接続すると、I = 16/(4+4) = 2 A となる。「4 A」は誤り。4 A は R の値を考えず、16 V を内部抵抗 4 Ω だけで割った値(端子短絡電流)である。「8/3 A」は誤り。8/3 A(約 2.67 A)は電源から流れ出す全電流 24/9 であり、R を流れる電流ではない。「1.6 A」は誤り。1.6 A は 16 V を 10 Ω で割った値で、内部抵抗 4 Ω の求め方を誤り 6 Ω としている。
この問題のページ:起電力 24 V の直流電源(内部抵抗は無視)に、6 Ω … →
問17直流電源 E = 15 V に、抵抗 R1 = 10 Ω と R2 = 20 Ω の直列回路と、R3 = 30 Ω と R4 = 20 Ω の直列回路を並列に接続した。R1 と R2 の接続点を B、R3 と R4 の接続点を D とする。B と D の間に内部抵抗が非常に大きい電圧計を接続したときの指示値は何 V か。ただし、R2 と R4 は電源の同じ側(低電位側)に接続されている。
- a4 V
- b6 V
- c10 V
- d16 V
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正解:a. 4 V
正解は「4 V」。電圧計の内部抵抗が大きいので、2つの分圧回路は独立に扱える。B の電位は 15×20/(10+20) = 10 V、D の電位は 15×20/(30+20) = 6 V で、その差は 4 V である。「6 V」は誤り。6 V は D の電位だけの値で、B との電位差になっていない。「10 V」は誤り。10 V は B の電位だけの値で、D との電位差になっていない。「16 V」は誤り。16 V は B と D の電位を足した値で、電位差は引き算で求めるべきである。
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問18端子 a−b 間に、a−c 間 3 Ω、a−d 間 9 Ω、c−d 間 3 Ω、c−b 間 9 Ω、d−b 間 3 Ω の5個の抵抗を、ブリッジ状に接続した回路がある。a−b 間の合成抵抗 [Ω] として正しいものを選べ。
- a6 Ω
- b4.5 Ω
- c3.2 Ω
- d5 Ω
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正解:d. 5 Ω
正解は「5 Ω」。a, c, d を頂点とする Δ(3, 9, 3 Ω、合計 15 Ω)を Y に変換する。a 側は 3×9/15 = 1.8 Ω、c 側は 3×3/15 = 0.6 Ω、d 側は 9×3/15 = 1.8 Ω となる。残りは (0.6+9) = 9.6 Ω と (1.8+3) = 4.8 Ω の並列で 3.2 Ω なので、合計は 1.8+3.2 = 5 Ω である。「6 Ω」は誤り。6 Ω は c−d 間の抵抗を取り除いて (3+9)‖(9+3) と計算した値で、c−d 間の影響を無視している。「4.5 Ω」は誤り。4.5 Ω は c−d 間を短絡して 3‖9 + 9‖3 と計算した値で、c と d が同電位とは限らない。「3.2 Ω」は誤り。3.2 Ω は Y 変換後の並列部分だけの値で、a 側に直列に入る 1.8 Ω を加えていない。
この問題のページ:端子 a−b 間に、a−c 間 3 Ω、a−d 間 9 Ω… →
問19次のような交流ブリッジの4辺を AB、BC、AD、DC とし、AB にはコイルの未知の抵抗 Rx とインダクタンス Lx の直列、BC には抵抗 R2 = 1 kΩ、AD には抵抗 R3 = 2 kΩ、DC には抵抗 R4 = 10 kΩ とコンデンサ C = 0.1 μF の並列を接続した。電源は A−C 間、検出器は B−D 間に接続する。検出器の電流が 0 になったとき、Rx と Lx の値の組合せとして正しいものを選べ。
- aRx = 20 kΩ、Lx = 0.2 H
- bRx = 200 Ω、Lx = 2 H
- cRx = 200 Ω、Lx = 0.2 H
- dRx = 50 Ω、Lx = 0.05 H
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正解:c. Rx = 200 Ω、Lx = 0.2 H
正解は「Rx = 200 Ω、Lx = 0.2 H」。平衡条件は (AB のインピーダンス)×(DC のインピーダンス) = (BC)×(AD) である。DC 辺のアドミタンスは 1/R4 + jωC なので、Rx + jωLx = R2R3(1/R4 + jωC) となる。実部から Rx = R2R3/R4 = 200 Ω、虚部から Lx = CR2R3 = 0.1×10⁻⁶×1×10³×2×10³ = 0.2 H が得られる。「Rx = 20 kΩ、Lx = 0.2 H」は誤り。Rx = 20 kΩ は R3R4/R2 のように、R2R3/R4 でない組合せで計算した値である。「Rx = 200 Ω、Lx = 2 H」は誤り。Lx = 2 H は CR3R4 のように R2 でなく R4 を掛けた値で、平衡条件の対辺の組合せを誤っている。「Rx = 50 Ω、Lx = 0.05 H」は誤り。Rx = 50 Ω と Lx = 0.05 H は、いずれも対辺の積の関係に当てはまらない数値である(R2R3/R4 = 200 Ω、CR2R3 = 0.2 H)。
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問20コンデンサの損失角を測るシェーリングブリッジについて、4辺を AB、BC、AD、DC とする。AB には損失のある被測定コンデンサ(静電容量 Cx と等価直列抵抗 Rx の直列)、BC には抵抗 R2 = 1 kΩ、AD には損失のない標準コンデンサ Cs = 100 pF、DC には抵抗 R4 = 5 kΩ とコンデンサ C4 = 0.02 μF の並列を接続した。電源は A−C 間(周波数 50 Hz)、検出器は B−D 間である。検出器の電流が 0 になったとき、被測定コンデンサの誘電正接 tanδ(= ωCxRx)として正しいものを選べ。
- a0.005
- b0.01π
- c0.02π
- d0.1π
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正解:b. 0.01π
正解は「0.01π」。平衡条件 Z_AB×Z_DC = Z_BC×Z_AD から、Cx = CsR4/R2 = 500 pF、Rx = R2C4/Cs = 200 kΩ が得られる。よって tanδ = ωCxRx = ωC4R4 となり、ω = 100π rad/s より tanδ = 100π×0.02×10⁻⁶×5×10³ = 0.01π(約 0.031)である。「0.005」は誤り。0.005 は ω の代わりに周波数 50 Hz を用いて 50×C4R4 とした値で、2π の係数が抜けている。「0.02π」は誤り。0.02π は C4R4 の計算を 2×10⁻⁴ とした誤りで、0.02 μF×5 kΩ は 1×10⁻⁴ s である。「0.1π」は誤り。0.1π は C4 を 0.2 μF として計算した値のように、単位換算を誤った結果である。
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問21交流ブリッジに関する次の記述のうち、正しいものを選べ。
- a平衡条件は隣り合う2辺のインピーダンスの大きさが等しいことで、位相は問われないため、抵抗だけで調整できる。
- bマクスウェルブリッジは平衡条件に角周波数 ω を含むので、電源周波数が変わると平衡点も変わり、周波数の正確な値が必要である。
- c平衡時には検出器に電流が流れないが、検出器の両端には電源電圧の 1/2 の電圧が常に加わっている。
- d平衡条件は複素数の等式であり、大きさと位相の2つの条件を同時に満たす必要があるため、調整できる素子が通常2つ以上必要である。
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正解:d. 平衡条件は複素数の等式であり、大きさと位相の2つの条件を同時に満たす必要があるため、調整できる素子が通常2つ以上必要である。
正解は「平衡条件は複素数の等式であり、大きさと位相の2つの条件を同時に満たす必要があるた…」。交流ブリッジの平衡条件は対辺のインピーダンスの積が等しいという複素数の等式であり、実部と虚部(大きさと位相)の2条件を満たすため、調整できる素子が通常2つ以上要る。正しい記述である。「平衡条件は隣り合う2辺のインピーダンスの大きさが等しいことで、位相は問われないた…」は誤り。隣り合う2辺の大きさが等しいことは平衡条件ではない。平衡は対辺の積で決まり、位相も合わせる必要があるので抵抗だけでは足りない。「マクスウェルブリッジは平衡条件に角周波数 ω を含むので、電源周波数が変わると平…」は誤り。マクスウェルブリッジの平衡条件(Rx = R2R3/R4、Lx = CR2R3)には ω が含まれず、周波数に依存しない。依存するのはウィーンブリッジなどである。「平衡時には検出器に電流が流れないが、検出器の両端には電源電圧の 1/2 の電圧が…」は誤り。平衡時は B と D が等電位で、検出器の両端の電圧は 0 である。電源電圧の 1/2 が加わるのは誤りである。
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問22起電力 100 V、内部抵抗 5 Ω の直流電源に可変抵抗 R を負荷として接続した。R を変化させたとき、R が消費する電力の最大値 [W] を求めよ。
- a500 W
- b1000 W
- c2000 W
- d250 W
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正解:a. 500 W
正解は「500 W」。負荷抵抗が電源の内部抵抗に等しい R = 5 Ω のとき電力は最大になる。このとき電流は 100/(5+5) = 10 A で、P = 10²×5 = 500 W である。一般式 E²/(4r) = 10000/20 = 500 W とも一致する。「1000 W」は誤り。1000 W は E²/(2r) として、係数 4 を 2 と誤った値である。「2000 W」は誤り。2000 W は E²/r で、これは負荷を短絡したときに内部抵抗で消費される電力に当たり、負荷の最大電力ではない。「250 W」は誤り。250 W は E²/(8r) のように係数を誤った値、または 5 A で計算した値である。
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問23実効値 100 V の交流電源の内部インピーダンスが 5 + j12 Ω である。この電源に純抵抗の負荷 R を接続し、R だけを変化させる。R が消費する電力が最大となる R の値 [Ω] を選べ。
- a5 Ω
- b13 Ω
- c12 Ω
- d17 Ω
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正解:b. 13 Ω
正解は「13 Ω」。電流は I = 100/√((5+R)²+12²) で、P = I²R は R = √(5²+12²) = 13 Ω のとき最大になる。このとき P = 10000×13/{(5+13)²+144} = 130000/468 ≒ 278 W である。内部インピーダンスの大きさに等しくするのが条件である。「5 Ω」は誤り。5 Ω は内部抵抗の実部に合わせた値で、リアクタンス 12 Ω を考慮していない。負荷がリアクタンスを持てる場合の条件である。「12 Ω」は誤り。12 Ω は内部リアクタンスの大きさに合わせた値で、条件の根拠がない。「17 Ω」は誤り。17 Ω は 5+12 の単純な和で、インピーダンスの大きさは二乗和の平方根で求める。
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問24実効値 200 V、角周波数 1000 rad/s の交流電源の内部インピーダンスが 10 + j20 Ω である。この電源に、可変抵抗 R と可変コンデンサ C の直列回路を負荷として接続した。R と C を調整して負荷の消費電力を最大にしたときの C の値と最大電力の組合せとして正しいものを選べ。
- aC = 100 μF、P = 1000 W
- bC = 50 μF、P = 2000 W
- cC = 50 μF、P = 1000 W
- dC = 25 μF、P = 2000 W
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正解:c. C = 50 μF、P = 1000 W
正解は「C = 50 μF、P = 1000 W」。全体のリアクタンスが 0 となるよう、コンデンサのリアクタンスを内部の 20 Ω に合わせる。C = 1/(1000×20) = 50 μF である。さらに R を内部抵抗に等しい 10 Ω とすると、I = 200/20 = 10 A、P = 10²×10 = 1000 W(= E²/(4×10))となる。「C = 100 μF、P = 1000 W」は誤り。C = 100 μF はコンデンサのリアクタンスを 10 Ω(内部抵抗の値)に合わせた誤りである。「C = 50 μF、P = 2000 W」は誤り。P = 2000 W は E²/(2r) とした値のように、最大電力の係数 4 を 2 と誤っている。「C = 25 μF、P = 2000 W」は誤り。C = 25 μF はリアクタンスを 40 Ω に合わせた誤りで、電力 2000 W も誤っている。
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問25抵抗 R = 5 Ω、インダクタンス L = 1 mH、静電容量 C = 0.1 μF の直列回路に、実効値 2 V で周波数を変えられる交流電源を接続した。回路を共振させたとき、コンデンサの両端電圧の実効値 [V] はいくらか。
- a40 V
- b2 V
- c20 V
- d80 V
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正解:a. 40 V
正解は「40 V」。共振角周波数は ω0 = 1/√(LC) = 1/√(10⁻³×10⁻⁷) = 10⁵ rad/s である。Q = ω0L/R = 10⁵×10⁻³/5 = 20 となり、共振時のコンデンサ電圧は電源電圧の Q 倍で 20×2 = 40 V である。「2 V」は誤り。2 V は電源電圧そのものの値で、共振時の電圧拡大(Q 倍)を考慮していない。共振時に抵抗にかかる電圧に当たる。「20 V」は誤り。20 V は Q の値そのもので、電源電圧 2 V を掛けていない。「80 V」は誤り。80 V は R を 2.5 Ω と誤って Q = 40 とした場合の値で、与えられた R = 5 Ω では Q = 20 である。
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問26抵抗 R = 20 Ω、インダクタンス L = 10 mH、静電容量 C = 1 μF の直列回路に、電圧一定で周波数が可変の交流電源を接続した。電流の大きさが共振時の 1/√2 になる2つの周波数の差(半値幅)Δf [Hz] として正しいものを選べ。
- a5000/π Hz
- b25000/π Hz
- c2000/π Hz
- d1000/π Hz
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正解:d. 1000/π Hz
正解は「1000/π Hz」。共振角周波数は ω0 = 1/√(LC) = 10⁴ rad/s、Q = ω0L/R = 10⁴×0.01/20 = 5 である。半値幅は Δf = f0/Q で、f0 = ω0/(2π) = 5000/π Hz より Δf = 1000/π Hz(約 318 Hz)となる。同じく Δω = R/L = 2000 rad/s から Δf = 2000/(2π) と求めてもよい。「5000/π Hz」は誤り。5000/π Hz は共振周波数 f0 そのもので、半値幅ではない。「25000/π Hz」は誤り。25000/π Hz は f0×Q で、半値幅 f0/Q とは掛ける・割るを取り違えている。「2000/π Hz」は誤り。2000/π Hz は Δω/π のように、角周波数の幅 2000 rad/s を周波数に直すときの 2π を π と誤った値である。
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問27静電容量50μFのコンデンサ(初期電荷はゼロ)を、10kΩの抵抗を通して起電力200Vの直流電源で十分に長い時間充電した。この充電の過程で抵抗が消費したエネルギーの総量として、正しいものはどれか。
- a0.5J
- b1.0J
- c2.0J
- d4.0J
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正解:b. 1.0J
正解は「1.0J」。充電が完了するまでに電源が供給するエネルギーは CE²=50×10⁻⁶×200²=2.0J で、このうちコンデンサに蓄えられるのは (1/2)CE²=1.0J。残りの 2.0−1.0=1.0J が抵抗でジュール熱になる。この値は抵抗値によらない。「0.5J」は誤り。0.5Jは蓄積エネルギーを半分に見積もった値で、根拠がない。「2.0J」は誤り。2.0Jは電源が供給したエネルギー全体で、抵抗の消費分ではない。「4.0J」は誤り。4.0Jは CE² に2を掛ける誤りで、電源供給量を超えてしまう。
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問28起電力60V・内部抵抗10Ωの直流電源に、可変抵抗Rと、各辺が30ΩのΔ形抵抗回路の端子a-b間を直列に接続した(端子cは何も接続しない)。Rを変化させたとき、Rの消費電力が最大となるRの値とそのときの消費電力の組合せとして、正しいものはどれか。必要なら小数第2位を四捨五入せよ。
- aR=20Ω、45W
- bR=40Ω、22.5W
- cR=70Ω、12.9W
- dR=30Ω、30W
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正解:d. R=30Ω、30W
正解は「R=30Ω、30W」。端子cが開放なので、a-b間は辺ab(30Ω)と、辺bcと辺caの直列(60Ω)の並列で 30×60/(30+60)=20Ω。Rを除いた回路の等価抵抗は 10+20=30Ω なので、最大電力供給条件より R=30Ω。このとき電流は 60/(30+30)=1A、消費電力は 1²×30=30W(=E²/4r₀=3600/120)。「R=20Ω、45W」は誤り。内部抵抗10Ωを無視して R=20Ω とした場合の値。「R=40Ω、22.5W」は誤り。a-b間を辺ab(30Ω)だけとした場合の値。「R=70Ω、12.9W」は誤り。a-b間を60Ωとした場合の値。
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問29線間電圧200Vの三相電源に、1相が抵抗6Ωと誘導性リアクタンス8Ωの直列である平衡三相負荷をΔ結線で接続している。この負荷をY結線に結線し直して同じ電源に接続したときの三相消費電力として、最も近いものはどれか。
- a2400W
- b4160W
- c7200W
- d1390W
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正解:a. 2400W
正解は「2400W」。1相のインピーダンスの大きさは √(6²+8²)=10Ω。Y結線では相電圧が 200/√3 V なので相電流は 20/√3 A、三相電力は 3×(20/√3)²×6=3×(400/3)×6=2400W。1相ごとの電力 I²R で考えると、Δからの変更で電力は1/3になる(Δ結線では 3×20²×6=7200W)。「4160W」は誤り。2400W に √3 を掛けた値で、電力が1/3でなく1/√3になる誤り。「7200W」は誤り。7200W はΔ結線のままの電力。「1390W」は誤り。2400W を √3 で割った値。
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問30シリコンのpn接合ダイオードに関する記述として、正しいものはどれか。
- a順方向電圧を加えると空乏層が広がって電位障壁が高くなり、キャリアの移動が妨げられて電流は流れにくくなる。
- b逆方向電圧を加えると空乏層が狭くなり、多数キャリアの拡散によって、電圧とともに増える大きな電流が流れる。
- c逆方向電圧での小さな電流は、熱で生じた少数キャリアによるもので、降伏電圧に達するまで電圧にほぼよらない。
- d拡散電位は温度が上昇すると高くなり、順方向電流が流れ始める電圧も温度の上昇とともに高くなる。
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正解:c. 逆方向電圧での小さな電流は、熱で生じた少数キャリアによるもので、降伏電圧に達するまで電圧にほぼよらない。
正解は「逆方向電圧での小さな電流は、熱で生じた少数キャリアによるもので、降伏電圧に達する…」。逆方向電圧では多数キャリアの移動が抑えられ、熱的に生じた少数キャリアの移動による逆飽和電流だけが流れ、降伏(ブレークダウン)までは電圧にほぼ依存しない。「順方向電圧を加えると空乏層が広がって電位障壁が高くなり、キャリアの移動が妨げられ…」は誤り。順方向電圧は電位障壁を下げて空乏層を狭め、電流を流れやすくする。「逆方向電圧を加えると空乏層が狭くなり、多数キャリアの拡散によって、電圧とともに増…」は誤り。逆方向電圧では空乏層が広がり、多数キャリアによる大きな電流は流れない。「拡散電位は温度が上昇すると高くなり、順方向電流が流れ始める電圧も温度の上昇ととも…」は誤り。温度が上がると拡散電位は低下し、順方向の立上り電圧も(約−2mV/K程度)低くなる。
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問31理想的な演算増幅器を用いた差動増幅回路がある。反転入力端子には抵抗10kΩを通して電圧V₁を加え、出力から反転入力端子へ40kΩの抵抗で帰還する。非反転入力端子には10kΩの抵抗を通して電圧V₂を加え、この端子と接地の間に40kΩの抵抗を接続する。V₁=1.2V、V₂=1.5Vのとき、出力電圧として正しいものはどれか。
- a−1.2V
- b+1.2V
- c+2.7V
- d+4.8V
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正解:b. +1.2V
正解は「+1.2V」。非反転入力端子の電圧は V₂×40/(10+40)=0.8V₂。仮想短絡により反転入力端子も同じ電圧で、重ねの理で整理すると出力は Vo=(40/10)(V₂−V₁)=4×(1.5−1.2)=+1.2V。「−1.2V」は誤り。V₂とV₁を取り違えた符号の誤り。「+2.7V」は誤り。非反転側の分圧を考えず、反転増幅(−4V₁)と非反転増幅(5V₂)を足した値(−4.8+7.5=2.7V)。「+4.8V」は誤り。V₂を無視して 4×V₁ だけを計算した値の大きさ。
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問32最大目盛10mA、内部抵抗20Ωの電流計に分流器を並列に接続し、最大110mAまで測定できるようにしたい。分流器の抵抗値として、正しいものはどれか。
- a0.20Ω
- b1.8Ω
- c20Ω
- d2.0Ω
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正解:d. 2.0Ω
正解は「2.0Ω」。倍率は n=110/10=11。分流器の抵抗は Rs=r/(n−1)=20/(11−1)=2.0Ω。このとき電流計に10mA、分流器に100mAが流れ、両者の電圧は 20Ω×10mA=2.0Ω×100mA=0.2V で等しい。「0.20Ω」は誤り。10倍の誤り(桁違い)。「1.8Ω」は誤り。r/n=20/11≒1.8Ω と、倍率で割る誤り。「20Ω」は誤り。20Ωは電流計と同じ抵抗値で、電流が半分ずつ(倍率2)に分かれる場合の値であり、倍率11には小さすぎる。
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