【電験三種】令和2年問1攻略！点電荷と平等電界の『ルール』を見極める

Try itの問題は以下のとおり。

電気量+Qの点電荷が空間に置かれている。2Rは離れたところを点AそこからR離れた地点に+qの点電荷を置いた。+qの点電荷を点Aまで移動させた時外力のする仕事Wを求めよ。電位は無限遠を基準とする。

なるほど令和２年問１の問題とそっくりだ（単純に外力のした仕事を求めるという問題に飛びついただけ）。

動画の解説ではW外=q(Va-Vb)⋯①

※Va=k*Q/2R,Vb=k*Q/3R(kはクーロン定数)

外力のする仕事は非保存力により位置エネルギーの変化なので①式に※の電位を入れれば計算できる。

なるほど、それでは令和２年問１ではどうだ？この問題では点電荷は2Cが点Aに置かれているが力を受ける相手がいないため、点Bまでの距離をX点Aまでの距離をX+1.0として各点の電位をVb=k*Q/X、Va=K*Q/X+1.0などと自分勝手に式を無理たり立てたりしてみた。

しかし、まったくの思い違いをしていた。この両者の問題の大きな違いは、Try itの問題では点電荷の作る電界Eと令和２問１の問題はコンデンサのような平等電界Eという力のかかる状況が違う。

点電荷の作る電界E が距離の2乗に反比例して刻々と変化するため、W外= F × d は使えない。

電界Eはよく坂道と例えられるが、その坂道の傾斜が途中で変わるため、単純な「かけ算」ができず、公式 V = k×Q/r を使って「地点ごとの高さの差」を出すしかない。

一方令和２年問１の電界は平等電界 E のため、どこも一定。そのため W外=qEd の式が利用できる。

よってこの問の解き方は

仕事の合計から E を出す：

点A→Bは電界の方向から 1.0m 逆らい、点B→Cで電界の方向から 0.3m 戻ったので、実質的に風に逆らった距離は m となり、

この「正味の距離 0.7m」を使って、仕事の合計から電界 E を導き出す。

ここから E = 10 を特定。

聞かれている所の電圧 V を出す：

答えは 10 [V] となる。
比較まとめ表

項目	点電荷ステージ (Try IT)	平等電界ステージ (令和2年)
電界 E の仕様	距離で変化する（放射状）	どこでも一定（平行）
仕事 W外 の計算	W = q(VA - VB)	W = qEd （単純な計算）
電圧 V の計算	V = kQ / r	V = Ed

【保存版】バイト代でわかる！「仕事」と「エネルギー」の仕組み

こんにちは。わけあって電気のお勉強を始めました。中学生や物理が苦手な人にも「なぜエネルギーが保存されたり消えたりするのか」が直感的に伝わるはずです！

物理における「力・仕事・エネルギー」の関係を、お金の収支で例えてみます。

1. 「横に箱を押す」バイト（非保存力の場合）

私が「箱を横に動かす」というバイトをしたとします。

仕事（労働）：私の筋肉が一生懸命働いて、100円分のエネルギーを箱に注入します。

非保存力のワナ：しかし、床との間に「摩擦」があると、せっかくの100円は「摩擦熱」という名の重い税金（または飲み食い代）としてその場で徴収されてしまいます。

結果：これを非保存力と呼びます。この力による仕事は、貯金（エネルギー）として残らず、熱や音になって空気中に消えていってしまうのです。

2. 「ボールを持ち上げる」バイト（保存力への貯金）

次に、私が「ボールを高いところに挙げる」というバイトをしたとします。

仕事（労働）：私の筋肉が100円分のエネルギーをボールに注入します。

保存力銀行への預金：今度は「摩擦」のような税金に邪魔されず、稼いだ100円は「重力銀行」にあるボール名義の口座（位置エネルギー）にそのまま預けられます。

エネルギーの変身：私がボールから手を離すと、銀行の口座から100円が引き出され、今度は「重力」という店員さんがその100円を使って仕事をします。

通貨の両替：すると100円は、地面に落ちるスピードに応じて「運動エネルギー」という別の通貨（例：1ドル）に等価交換され、ボールの手元に貯まります。

結論

仕事は、エネルギーを受け渡す「支払い」のこと。

非保存力は、支払ったお金が税金（熱）で消えてしまうこと。

保存力は、銀行（位置エネルギー）に預けて、あとで別ルート（運動エネルギー）で引き出せること。

週末

今週もお疲れ様でした。

今週末は天気も良さそうだし、何して遊ぼうかと、今からワクワク！

まずは今晩ぐっすり休もう💤

teams

そう、web会議で使うやつ。便利だけど、状況によっては独りで喋ってる壊れた人にも捉えられかねない。

でもやっぱり便利で使えると結構楽しい。

今日も新宿へ

今日も所用で新宿へ行きました。

ラッシュ時だったので、電車は激混み。毎日このように通勤してる人達はなんて大変だ！と思いつつ自分はたまたま座れたのでラッキーではあったが。

いやあ、大変だよ本当。

昔を知ってる

っていうことは強いな、と思う。

ことの経緯を実体験しているから、理解の度合いが段違いだと思う。

これが現在から遡って勉強するとなると、やっぱりどこかしら無理があると。

そんなことを感じた1日でした。

地元イベント

昨日は地元イベントに行ってきた。

天気もまあまあで、寒くないのが何より良い！

イベント会場で飲むビールもまた格別。ビールほど外飲みが合う酒はない、なんて思っていつも飲み過ぎちゃうけど。とにかく楽しいイベントでした。