Math Problem Statement

厚みが60μm、幅が1mm、長さがycmのステンレス箔(SUS304)をx本並列に接続した時、合成抵抗が1.425Ωとなるようなxとyの組み合わせを

10パターン(x=1,2,3・・10)教えてください。

またそれぞれのパターンごとに、回路全体に28Vの電圧をかけた時のステンレス箔1本あたりの10秒後と1分後の温度も算出してください。

ただし、電圧をかける前のステンレス箔の温度は25℃としてください。

そして最終的に表形式でまとめてください。

計算過程は各ステップごとに丁寧にかいてください。

また、計算ミスがないように1つずつ確実に確認しながら進めてください。

特に桁数の間違いは以降の計算結果が全て狂うので1つず確認しながら進めてください

Solution

この問題は、ステンレス箔(SUS304)の合成抵抗が1.425Ωとなるような並列接続の組み合わせ(xとyの関係)を10パターン求め、その際に各パターンにおける1本あたりの温度変化を計算するというものです。ステップごとに計算し、最後に表形式でまとめます。計算の各ステップを丁寧に行い、確認しながら進めます。

ステップ1: ステンレス箔1本の抵抗の計算

まず、1本のステンレス箔の抵抗を求めます。抵抗の計算には以下の式を使用します:

R=ρ×LAR = \rho \times \frac{L}{A}

ここで、

  • ρ\rho はステンレス(SUS304)の抵抗率(約 7.2×107 Ωm7.2 \times 10^{-7} \ \Omega\cdot\text{m}
  • LL はステンレス箔の長さ(y cm なので、メートルに変換して 0.01×y0.01 \times y m)
  • AA は断面積(幅 1 mm、厚み 60 μm なので、 1×103×60×106=6×108 m21 \times 10^{-3} \times 60 \times 10^{-6} = 6 \times 10^{-8} \ \text{m}^2

この式を元に RR を計算します。

ステップ2: 並列接続における合成抵抗の計算

並列接続では、全体の合成抵抗 RtotalR_{\text{total}} は次の式で表されます:

1Rtotal=i=1x1Ri\frac{1}{R_{\text{total}}} = \sum_{i=1}^{x} \frac{1}{R_i}

ここで RiR_i は各ステンレス箔の抵抗です。今回は全てのステンレス箔が同じ抵抗 RR を持つため、合成抵抗は以下のように簡単に求められます:

Rtotal=RxR_{\text{total}} = \frac{R}{x}

この式から、与えられた合成抵抗 Rtotal=1.425 ΩR_{\text{total}} = 1.425 \ \Omega を満たす xxyy の組み合わせを求めます。

ステップ3: 電圧をかけた時の温度変化の計算

次に、28Vの電圧をかけた場合のステンレス箔1本あたりの温度変化を計算します。ジュール熱による温度上昇を次の式で求めます:

Q=I2×R×tQ = I^2 \times R \times t

ここで、

  • QQ は発生する熱量(ジュール)
  • II は回路全体に流れる電流
  • RR はステンレス箔1本の抵抗
  • tt は時間(10秒および1分に対して計算します)

発生した熱量から温度上昇を求めるため、次の式を使用します:

ΔT=Qm×c\Delta T = \frac{Q}{m \times c}

ここで、

  • ΔT\Delta T は温度上昇(℃)
  • mm はステンレス箔の質量
  • cc はステンレス(SUS304)の比熱容量(約 500 J/kgC500 \ \text{J/kg}^\circ C

質量は次の式で求めます:

m=体積×密度m = \text{体積} \times \text{密度}

ステンレス(SUS304)の密度は 8000 kg/m38000 \ \text{kg/m}^3 です。


以上のステップを踏んで、x=1からx=10までの各パターンについて計算し、表にまとめます。それでは、まずステンレス箔1本の抵抗を計算します。ステンレス箔1本(長さ y=1cmy = 1 \, \text{cm})の抵抗は約 0.12Ω0.12 \, \Omega です。

次に、合成抵抗が 1.425Ω1.425 \, \Omega となるように、x本を並列接続した場合のy(長さ)の値を計算します。これは以下の条件に基づきます:

Rtotal=RxR_{\text{total}} = \frac{R}{x}

この式から、各 xx に対応する yy を求めます。It seems like I can’t do more advanced data analysis right now. Please try again later. If you'd like, I can help guide you through the calculations manually or assist with other questions! Let me know how you'd like to proceed.

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Math Problem Analysis

Mathematical Concepts

Resistivity
Parallel Circuits
Joule Heating
Thermodynamics

Formulas

R = ρ × (L / A)
1 / R_total = Σ (1 / Ri)
Q = I^2 × R × t
ΔT = Q / (m × c)
m = volume × density

Theorems

-

Suitable Grade Level

University-Level Physics and Electrical Engineering