初めてでもわかるコンデンサの仕組み【静電容量】

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電気
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コンデンサは2枚の極板の間に空気や絶縁体を挟みんだ構造をしています。
絶縁体を電極間に挟み込むと静電容量が増大します。挿入される絶縁体を誘電体といいます。
コンデンサは極板間に電荷をため込むという性質を持っています。

交流回路においては電流の位相を進める働きをもっています。

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コンデンサーの構造

コンデンサーは二枚の金属板で絶縁体を挟み込んだ作りになっています。
この時に使われる絶縁体のことを誘電体といいます。
極板間が絶縁されていないとコンデンサーになりません。

コンデンサの容量の大きさは静電容量といいます

誘電体の種類によって比誘電率が異なり比誘電率が高い素材を使うことで、静電容量
を大きくすることができます。

静電容量Cは誘電率ε、極板面積S、極板間距離dを用いて次式で表されます。

C=ε×S/d

つまり電極板の面積に比例し、極板間の距離に反比例します。
電極が広ければ静電容量が増える、極板間が近いほど静電容量が増えることになります。

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働き

電荷をためる

コンデンサは電荷を蓄える働きがありプラス側に接続された極板にはプラスの電荷がマイナス側に接続された極板にはマイナスの電荷を蓄えます。
両極の電荷は絶縁体を挟んでお互いに引き合う性質があります。(電極間が近い方が
引き合う力が強くなり電荷量を多く蓄えられる)
それぞれの電荷の数は等しくなります。
この電荷を蓄える能力のことを静電容量といいます。

静電容量

コンデンサの電荷をためる容量のことをさします。

コンデンサの両端の電極板の面積に比例し、極板間の距離に反比例します。
電極が広ければ静電容量が増える、極板間が近いほど静電容量が増えることになります。

蓄えられた電荷量の求め方

電荷量をQ、コンデンサの静電容量をC、電圧をVとすると
Q=C×V

直流を遮断する

コンデンサは絶縁体を挟んでいるので直流を流しません。
厳密にいうとコンデンサに電荷が溜まったあとは直流を流さなくなります。
電源に接続した直後に電流が流れ込み電荷が蓄えられていきます。
徐々に電流は流れにくくなり、限界まで電荷が蓄えられると電流が流れなくなります。

徐々に電荷が蓄えられていくごく短い期間を過渡期
電荷が溜まりきった安定している状態を定常状態といいます。

交流電源は通す

周期的に電流の向きが変わる交流回路においては充電と放電を繰り返すので
電流が流れているようにふるまいます。
充電と放電をおこなっているために電圧と電流に時間的なズレが生じることになります。

周波数が高くなると交流を通しやすくる

交流電源の周波数が高い方が容量性リアクタンスの値が小さくなり電流を通しやすくなります。周波数が低く(直流に近くなると)電流を通しにくくなります。

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電流の位相が遅れる理由

交流回路において電圧波形に対して電流波形が90°進みます。

コンデンサーはエネルギーをため込んで放出することを繰り返しています。
コンデンサーに電荷が溜まっていない状態では両端の電圧は0になっています。

充電するためにまず電流が流れ込んで電荷が溜まっていくことによって内部の電位が
上昇していきます。
波形がピークをこえて電圧が下がり始めるとコンデンサは放電を始ます。

電流の向きが逆になると充電の為にまず電流が流れ込み徐々遅れてに電圧が上昇していきます。先ほどの充電とは電流の向きが逆なのでプラスとマイナスが反対になっています。
そしてまた放電の過程を始めます。

まず電流が先行して充電がはじまり遅れて電位が上昇するので電圧の波形が遅れて電流の波形が進むことになります。

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