RLC直列回路のコイル電圧(余弦電流)

回路電磁気インダクタRLC微分
RLC直列回路において、初期条件としてI=Isin(wt+θ)で与えられた時のコイルの電圧Vを求めて
07:53
リュウツー先生
リュウツー先生
いいね、まず確認させて。質問の意図をはっきりさせたいんだが、

1) 与えられた式は回路全体を流れる電流を表す I(t)=I0sin(ωt+θ)I(t)=I_0\sin(\omega t+\theta) という意味で合ってる?(記号は振幅を I0I_0 とするつもり)
2) 求めたいのは単にコイル(インダクタ)の瞬時電圧 vL(t)v_L(t) でいい?それとも振幅と位相を含む複素表示(フェーザ)での表現が欲しい?
3) インダクタンス LL は既知とするか、一般式でよいか?
4) 「初期条件として…」とあるが、特に t=0t=0 での値を指定しているのか、それとも時刻全体での電流波形が与えられているだけか?

これら教えてくれる?
07:53
1に関して合ってる。
2に関して合ってる、vを求めて。
3に関して、Lは既知とする。
4に関して、時刻全体の電流波形が与えられてるとする。
07:55
リュウツー先生
リュウツー先生
いいね、まず現状の理解度を確認するね。クイズを2問出すから、選択肢で答えてくれる?

1) インダクタの瞬時電圧は vL(t)=Ldi(t)dtv_L(t)=L\frac{d i(t)}{dt} だよ。i(t)=I0sin(ωt+θ)i(t)=I_0\sin(\omega t+\theta) のとき、vL(t)v_L(t) はどれ?
A. LI0ωcos(ωt+θ)L I_0 \omega \cos(\omega t+\theta)
B. LI0ωsin(ωt+θ)L I_0 \omega \sin(\omega t+\theta)
C. LI0ωcos(ωt+θ)-L I_0 \omega \cos(\omega t+\theta)

2) このときの位相関係について:コイルの電圧は電流に対してどう位相がずれている?
A. 電圧は電流より90°進んでいる(先行)
B. 電圧は電流より90°遅れている(遅れ)
C. 同位相である

選択肢を例えば「1-A, 2-A」のように答えてちょうだい。
07:56
ごめん、初期条件I=Icos(wt+θ)だった。
07:57
リュウツー先生
リュウツー先生
いいね、了解。今の条件は i(t)=I0cos(ωt+θ)i(t)=I_0\cos(\omega t+\theta) ってことね。現状理解度を確認するためにクイズを2問出すよ。選択肢で答えてくれる?

1) インダクタの瞬時電圧は vL(t)=Ldi(t)dtv_L(t)=L\frac{di(t)}{dt} だよ。i(t)=I0cos(ωt+θ)i(t)=I_0\cos(\omega t+\theta) のとき、vL(t)v_L(t) はどれ?
A. LI0ωsin(ωt+θ)-L I_0 \omega \sin(\omega t+\theta)
B. LI0ωsin(ωt+θ)L I_0 \omega \sin(\omega t+\theta)
C. LI0ωcos(ωt+θ)L I_0 \omega \cos(\omega t+\theta)

2) 位相関係について:コイルの電圧は電流に対してどう位相がずれている?
A. 電圧は電流より90°進んでいる(先行)
B. 電圧は電流より90°遅れている(遅れ)
C. 同位相である

例のように「1-A, 2-A」の形式で答えてちょうだい。
07:58
1-A、2-A
07:58
リュウツー先生
リュウツー先生
いいね!!素晴らしい!!その解答で進めるよ。

電流が
i(t)=I0cos(ωt+θ)i(t)=I_0\cos(\omega t+\theta)
のとき、コイルの瞬時電圧は定義から
vL(t)=Ldi(t)dtv_L(t)=L\frac{d i(t)}{dt}
だから
vL(t)=L(I0ωsin(ωt+θ))=LI0ωsin(ωt+θ).v_L(t)=L\left(-I_0\omega\sin(\omega t+\theta)\right)=-L I_0\omega\sin(\omega t+\theta).

別表示としては三角関数の位相移動を使って
vL(t)=LI0ωcos ⁣(ωt+θ+π2),v_L(t)=L I_0\omega\cos\!\left(\omega t+\theta+\frac{\pi}{2}\right),
つまり電圧は電流に対して90°進んでいる(先行)っていう話なわけです。

フェーザ表現だと、電流フェーザ I=I0θI=I_0\angle\theta に対し
V=jωLIV=j\omega L\,I
で、大きさは ωLI0\omega L I_0, 位相は +90°です。

わかった?
07:59
このように、Vでなく、Iの初期条件が与えられていて、電源電圧がVとして定義されている時って、Vを先に求めてから解かないの?
08:02
リュウツー先生
リュウツー先生
いいね、確認させてほしいんだが、ちょっとだけ質問していい?

1) 「電源電圧が V として定義されている」ってのは、外部から与えられる既知の電圧源 V(t) があるという意味?それとも「回路の電源電圧=素子の電圧の和(v_R+v_L+v_C)」を求めるという意味かな?

2) 求めたいのは瞬時の時刻全体での V(t)(つまり v_R+v_L+v_C を合成したもの)か、それとも回路方程式(微分方程式)を初期条件つきで解くことか?

3) 解析は定常正弦応答(周波数 ω の強制振動、フェーザ法での扱い)で良い?それとも初期条件を含む過渡応答(自由応答+強制応答)を含めて求めたい?

4) R, L, C は既知で、電流は全時間で i(t)=I0cos(ωt+θ)i(t)=I_0\cos(\omega t+\theta) の形で与えられている、で合ってる?

これら教えてくれる?
08:03
電源電圧が素子の和。定常正弦応答で良い。
4に関しては合ってる。
08:04
リュウツー先生
リュウツー先生
いいね、現状理解度を確認するためにクイズを出すよ。選択肢で答えてくれる?

1) 定常正弦応答での直列RLCの複素インピーダンスZはどれ?
A. Z=R+j(ωL1ωC)Z=R+j\bigl(\omega L-\dfrac{1}{\omega C}\bigr)
B. Z=R+j(1ωCωL)Z=R+j\bigl(\dfrac{1}{\omega C}-\omega L\bigr)
C. Z=R1jωC+jωLZ=R-\dfrac{1}{j\omega C}+j\omega L(選択肢の形が違うけど合ってるかも?)

2) 電流フェーザが I=I0θI=I_0\angle\theta のとき、電源電圧のフェーザVはどう表される?
A. V=ZIV=Z\,I
B. V=IZV=\dfrac{I}{Z}
C. V=RIV=R\,I

例のように「1-A, 2-A」の形式で答えてちょうだい。
08:05
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マイセオくん