01回路の式
電荷は時間とともにどう変わるか。まず式を立てます。コンデンサーの上の板の電荷を q、図の向きの電流を I とします。電流が流れると上の板に電荷がたまるので I=dq/dt です。回路を 1 周すると電圧の和は 0(キルヒホッフの法則)なので
LdtdI+RI+Cq=0,I=dtdqLdtdI+RI+Cq=0,I=dtdq 電流を電荷で書くと
RLC 回路の式Lq¨+Rq˙+C1q=0⟷mx¨+bx˙+kx=0Lq¨+Rq˙+C1q=0⟷mx¨+bx˙+kx=0 右のばねの式(減衰振動)と、文字が違うだけで同じ形です。
02ばねとの対応
同じ式なら、解も同じです。文字を読みかえれば、ばねで出した結果がそのまま回路で使えます。
| ばね | 回路 | 役割 |
| ずれ x | 電荷 q | 揺れるもの |
| 速さ x˙ | 電流 I | その変わる速さ |
| 質量 m | インダクタンス L | 変化をいやがる |
| 抵抗の係数 b | 抵抗 R | エネルギーを熱にする |
| ばね定数 k | 1/C | 元に戻そうとする |
γ=2LR,ω0=LC1,Q=2γω0=R1CLγ=2LR,ω0=LC1,Q=2γω0=R1CL 033 通りの減り方
ばねと同じく、γ と ω0 の大小で 3 通りに分かれます。境目の γ=ω0 になる抵抗が臨界抵抗です。
Rc=2CL
L = 10 mH、C = 1.0 μF。Rc = 200 Ω を境に揺れ方が変わる 例題 1L=10 mH, C=1.0 μF, R=20 Ω の回路の揺れ方
ω0=10−2×10−61=1.0×104 s−1 振動数では f0=ω0/2π=1.6 kHz です。
γ=2LR=1.0×103 s−1 γ<ω0 なので揺れながら減ります(Rc=200 Ω より小さい)。Q=ω0/2γ=5 で、5 周期ほどでかなり小さくなります。
演習 1
L=10 mH, C=0.10 μF の回路で、臨界減衰になる抵抗 Rc はいくらか。
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Rc=2CL=21.0×10−71.0×10−2=21.0×105=6.3×102 Ω
これより小さい抵抗なら電荷は揺れながら減り、大きければ揺れずに減る。
04交流で揺らす
外から揺らすと、どの振動数で電流が大きくなるか。交流電源 V0cosωt をつなぐと、ばねを外から揺らす強制振動と同じ式になります。回路では電荷より電流を測ることが多く、電流の振幅は
I0(ω)=R2+(ωL−ωC1)2V0
で、ωL=1/(ωC)、つまり ω=ω0=1/LC でちょうど最大の V0/R になります(電流は速さに当たるので、山は ω0 ちょうど)。回路ではこれを共振と呼びます(ばねでいう共鳴)。ラジオが 1 つの局を選べるのは、この共振のおかげです。
L = 10 mH、C = 1.0 μF、R = 20 Ω の電流の振幅。ω0 でちょうど最大 共振の鋭さは 半値幅 と同じく Q で決まります。