電気☆入門 電気主任技術者・電気工事士・エネルギー管理士・技術士等の資格試験と電気技術情報サイト
電気☆入門
サイト内検索



楽天ブックスは資格試験の書籍も取り扱っています。楽天ブックスで買えば、楽天ポイントも貯まります。

【楽天で購入】
はじめての人のための
電気の基本が
よ〜くわかる本


電気☆入門掲示板はこちら
トップページ > 電気の基礎 >

コンデンサと静電容量


コンデンサは電荷を蓄える

コンデンサの原型 ライデン瓶

18世紀ころ、ライデン瓶というものが使用されていました。ライデン瓶は、ガラス瓶の外面と内面に金属箔を貼り付けたもので図1のような形をしています。
図1
ライデン瓶
瓶上部の導体に摩擦などで発生した+電荷を与えると、くさりを伝って瓶内面には+電荷、瓶外面には-電荷が蓄えられます。電荷がたまっている時に、瓶上部の導体と瓶外面の金属箔を電線で短絡しようとすると火花が散ります。
このライデン瓶が進化したものが図2のようなコンデンサです。
図2
コンデンサの構造
金属のような導体で絶縁物をはさんだものがコンデンサです。図2では上側の金属板には+電荷、下側の金属板には-電荷がたまっています。これは下側の金属板の+電荷が電池によって上側の金属板に運ばれ、下側の金属板には-電荷が残ります。上側の金属板の+電荷の個数と、下側の金属板の-電荷の個数は同じです。
コンデンサに電荷がたまった状態を、「コンデンサが充電されている」といいます。
図2の状態ではすでに電荷がたまって充電されていますので、電池をはずしても電荷はそのままコンデンサに残ります。

電荷をためるには限界がある

図2のようにコンデンサに電池を接続すると、始めのうちは+電荷が上側の金属板に移動し、-電荷が下側に移動します。電荷が移動しているので、電池と電線には電流が流れます。
しかし時間がたつにつれ、+電荷と-電荷が上下の金属板に完全に分かれてしまうため、電荷の移動がなくなります。電荷の移動がなくなるということは電流も0になります。これはコンデンサが完全に充電されたことを意味します。

コンデンサの大きさを表す静電容量

電荷をたくさんためるには

図2のコンデンサが電荷をたくさんためるには、
@金属板の面積を大きくする
A絶縁物を薄くする
B金属板が電荷をためやすいように絶縁物の種類をかえる
などの方法があります。
この@〜Bの関係から、コンデンサがどのくらい電荷を蓄えられるかを示す静電容量という数値を導く公式があります。
C=εS/d
C:静電容量[F] ε:誘電率 S:金属板の面積[u] d:金属板の間隔[m]
静電容量が大きければ大きいほど、電荷をたくさん蓄えられることになります。
εは誘電率といい、絶縁物の分極(絶縁物内の分子内で+電荷と-電荷が分離すること)のしやすさを示す定数で、絶縁物の種類によって定まります。絶縁物は電流は通しませんが、絶縁物内の分子内で+電荷と-電荷が分離して、電荷を蓄えることが出来るので、誘電率が高いほうがコンデンサの絶縁物に適していることになります。誘電率の高い絶縁体を誘電体といいます。

コンデンサの静電容量と電荷の関係

コンデンサに電圧をかけると電荷がたまります。
図3

図3のように静電容量C[F]のコンデンサに直流電圧V[V]をかけたとします。
するとコンデンサにはQ[C]の電荷がたまります。
この電荷Q、静電容量C、電圧Vの間には
Q=CV
という関係があります。

コンデンサの直列接続と並列接続

直列接続した場合の合成静電容量

コンデンサを2つ直列接続した場合の合成静電容量を考えます。
図4

図4は静電容量がC1[F]のコンデンサとC2[F]のコンデンサを直列接続し、直流電圧V[V]をかけている図です。
C1[F]のコンデンサとC2[F]のコンデンサを直列接続すると合成静電容量C[F]は
C=C1×C2/(C1+C2)
となります。よって図4の回路は図5のように変形できます。
図5

図5のコンデンサの電荷Qは
Q=CV
=C1×C2×V/(C1+C2)
となり、コンデンサの+側には+Q[C]、-側には-Q[C]がたまります。
よって図4のQ1、Q2と図5のQの関係は
+Q1=+Q
-Q2=-Q
より
Q1=Q2=Q
となり、図4のQ1とQ2が等しくなることがわかります。
つまり、静電容量の異なるコンデンサでも直列接続するとたまる電荷は等しくなるということが分かります。

並列接続した場合の合成静電容量

コンデンサを2つ並列接続した場合の合成静電容量を考えます。
図6

図6は静電容量がC1[F]のコンデンサとC2[F]のコンデンサを並列接続し、直流電圧V[V]をかけている図です。
コンデンサC1[F]にたまる電荷Q1[C]は
Q1=C1V
同様にコンデンサC2[F]にたまる電荷Q2[C]は
Q2=C2V
となります。
また、C1[F]のコンデンサとC2[F]のコンデンサを並列接続すると合成静電容量C[F]は
C=C1+C2
となります。よって図6の回路は図7のように変形できます。
図7

図7のコンデンサの電荷Qは
Q=CV
=(C1+C2)V
となり、コンデンサの+側には+Q[C]、-側には-Q[C]がたまります。
よって図7のQ1、Q2と図6のQの関係は
Q1+Q2=Q
(-Q1)+(-Q2)=-Q
となります。
つまり、静電容量の異なるコンデンサを並列接続するとたまる電荷は静電容量に比例するということが分かります。

実際のコンデンサの構造

外形は小さくても静電容量が大きくなるように工夫がされている

コンデンサは、外形が小さくて、静電容量が大きいほうが優れていることになります。そのためにいろいろな工夫がされています。構造的には、金属箔と誘電体の細い帯をつくり、それらを重ねてトイレットペーパーのように巻いてあるもの、誘電体の板と金属板を何重にも重ねてあるもの、誘電体の表面に金属を蒸着・焼き付けてあるものなどがあります。また誘電体は、誘電率が高く絶縁耐力の大きいマイカ・ガラス・セラミック・プラスチック・パラフィン・絶縁油・アルミ酸化皮膜などが使用されます。



TOPページに戻る

サイトマップ
電気の基礎
電気とはなにか物質はすべて原子でできている原子の特徴電子の振る舞い電流は電子の流れ電気の歴史原子と分子と電子電流とは電圧とは抵抗とは電力と電力量直列・並列接続の合成抵抗分圧と分流直流と交流正弦波交流抵抗・リアクタンス・インピーダンス磁力線と磁束電気力線と電束コイルとインダクタンスコンデンサと静電容量共振力率と皮相・有効・無効電力3相交流ベクトル図の使い方電線にとまった鳥が感電しない理由需要率と負荷率と不等率フェランチ効果放電パーセントインピーダンス法(%Z)高調波交流の電気方式ホイートストンブリッジスターデルタ変換・デルタスター変換電圧降下過渡現象過渡現象(R-L直列回路)過渡現象(R-C直列回路)開閉サージ渦電流表皮効果

発電・送配電・受変電
原子力発電の仕組み水力発電の仕組み火力発電の仕組み太陽光発電の仕組み関東と関西で周波数が違う理由なぜ交流送電なの?停電瞬時電圧低下受電方式スポットネットワーク受電方式の仕組み統合接地

電気設備・機器
進相コンデンサと力率割引遮断器と開閉器と断路器接地(アース)変圧器(トランス)変流器接地用補償コンデンサ漏電と漏電遮断器保護継電器誘導電動機の始動法インバーターの仕組みケーブル・絶縁電線・コードの違い蛍光灯エアコンの仕組み直流電動機(直流モーター)誘導電動機指示計器GIS(ガス絶縁開閉装置)電磁開閉器(マグネットスイッチ)短絡(ショート)ヒューズリレー(継電器)スイッチ(片切・両切・3路・4路)トラッキング電力デマンド

電気設備保守
絶縁抵抗測定耐電圧試験

法則・定理
オームの法則クーロンの法則キルヒホッフの法則ファラデーの法則・レンツの法則フレミングの法則ミルマンの定理テブナンの定理ガウスの定理重ね合わせの理アンペア周回積分の法則ビオ・サバールの法則

公式・略号
電気公式集数学公式集電気設備略号辞典制御器具番号

数学
分数指数因数分解と展開方程式比例と反比例三角関数度数法と弧度法虚数

電気系資格
電気主任技術者とは?エネルギー管理士とは?技術士とは?技術士総合技術監理部門とは?

資格試験対策
電気主任技術者試験2次試験対策技術士2次試験対策(筆記試験)技術士2次試験対策(技術的体験論文)技術士2次試験対策(口頭試験)?技術士2次試験対策(口頭試験)?試験勉強法

資格試験過去問題
第3種電気主任技術者 理論第3種電気主任技術者 電力第3種電気主任技術者 機械第3種電気主任技術者 法規第2種電気主任技術者 1次理論第1種電気主任技術者 1次理論第1種電気主任技術者 1次電力第1種電気主任技術者 1次機械第1種電気主任技術者 1次法規第1種電気主任技術者2次試験 電力・管理第1種電気主任技術者2次試験 機械・制御エネルギー管理士(電気) 電気の基礎技術士一次試験 共通科目数学技術士一次試験 共通科目物理技術士一次試験 共通科目化学技術士一次試験 基礎科目技術士一次試験 電気電子部門専門科目技術士一次試験 適性科目技術士二次筆記試験 必須科目技術士二次筆記試験 選択科目 発送配変電技術士二次筆記試験 選択科目 電気応用技術士二次筆記試験 選択科目 電子応用技術士二次筆記試験 選択科目 情報通信技術士二次筆記試験 選択科目 電気設備

資格取得体験記
第3種電気主任技術者(電験3種)第2種電気主任技術者(電験2種)第1種電気主任技術者(電験1種)技術士1次試験(電気電子部門)技術士2次試験(電気電子部門)筆記試験技術士2次試験(電気電子部門)口頭試験技術士2次試験(総合技術監理部門)筆記試験技術士2次試験(総合技術監理部門)口頭試験建築設備士第1次試験建築設備士第2次試験エネルギー管理士(電気)エネルギー管理士(新制度)第2種電気工事士

関連サイト
電気☆入門掲示板

ご利用規約
当ウェブサイトご利用にあたって電気☆入門掲示板ご利用にあたって

当サイト運営者
管理人自己紹介管理人へメール

Copyright (C) DENKIMAN. All Rights Reserved.
inserted by FC2 system