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なぜsin、cosで表せるかは後で概略的に説明しますが、コンデンサーとコイルをつなぐいだときに起こる「電気振動」は教科書や参考書で確認して覚えるのがよいです。
◆勉強して、ある程度覚えている前提の説明
・電気振動は周期T=2π√LCであり、sin、cosのどちらかで表すことができる
・S₁を開く直前は、E/rの電流が流れていて、a点の電位は0である
・S₁を開いた瞬間、コイルでは直前の電流(E/r)を流そうとする現象が起きる
⇒このことから、
最初t=0のとき、電位は0だからVa=A・sinBtの形が良さそうなことが分かる
周期は周期T=2π√LCだからVa=A・sin(2πt/T)=Va=A・sin(t/√LC)になる
電流の方向はS₁を開く直前にコイルに流れていた方向に流れるため、aの電圧は低くなる
Va=-A'・sin(t/√LC) …A'>0
エネルギー保存からVa=E/r・√(L/C)が最大電圧になることが分かる
Va=-E/r・√(L/C)・sin(t/√LC)
という感じで求めていきますす。
◆sin、cosになることを概略的に説明(微積分を使います)
S₁を開く前、コンデンサとコイルの電圧は0である
S₁を開いた瞬間、コイルの電圧VʟはLdI/dtが生じる(I=E/rの変化)
コンデンサーの電圧Vᴄ=Q/Cである…電流が流れ、Qは時間変化する
Vʟ+Vᴄ=0(直列)なので、LdI/dt+Q/C=0
微分してみると、Ld²I/dt²+1/C・dQ/dt=0
dQ/dt=Iであるから、Ld²I/dt²+1/C・I=0
I=-CLd²I/dt² …こんな状態変化(微分方程式)になっています。
2回微分して-1/CLが出てくる(上記方程式を満たす)関数は、
I=A₁sin(t/√CL)+A₂cos(t/√CL)になるが、
t=0のとき電流は最大(E/r)なので(初期条件)
I=-E/r・cos(t/√CL)であることがわかる
・コンデンサーの電圧を求める
I=dQ/dtだから、求めた電流を積分してQを求めると
Q=-E/r・√(CL)・sin(t/√CL)
V=Q/C=-E/r・√(L/C)・sin(t/√CL)
なるほど、すごく丁寧に教えていただきありがとうございます!納得しました!