コンデンサは、電界に電荷を蓄える電気部品です。コンデンサの静電容量は、単位電圧あたりに蓄えることができる電荷の量です。コンデンサに蓄えられるエネルギーは、静電容量と電圧に比例します。
エレクトロニクスに関して言えば、電気回路の柱として機能する重要なコンポーネントは、抵抗器、インダクター、およびコンデンサーです。コンデンサの主な役割は、一定量の電荷を蓄えることです。コンデンサーの面白いところは、コンデンサーが空に浮かんでいるのを実際に見ることができることです。はい、そうです… 自然界のコンデンサーの形は雲です。従来のコンデンサと同じようにエネルギーを蓄え、十分な電荷を集めた嵐の際に放電します。そうは言っても、小さな人工コンデンサに注意を戻して、それらがどのように機能するかを正確に理解しようとしましょう.
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動作理論
(写真提供:11月パパ/ウィキメディア・コモンズ)
コンデンサは、非導電領域で分離された 2 つの導体で構成されるデバイスです。この非導電領域の専門用語は、誘電体として知られています .誘電体は、真空、空気、紙、プラスチック、セラミック、さらには半導体など、あらゆる非導電性要素である可能性があります。それでは、コンデンサ内の電荷がどのように発生するかを見てみましょう.
まず、クーロンの法則として知られる基本法則を理解してみましょう。 これは、電荷の積に比例し、それらの間の距離の 2 乗に反比例する力で、同種の電荷が反発し、反対の電荷が引き合うと述べています。さて、この法則を使用して、コンデンサの1つのプレートに蓄積された電荷が、導体の別のプレートの電荷に力を及ぼすことを説明できます.同じ電荷同士は引き合い、反対の電荷同士は反発します。これにより、導体の表面が発達し、等しく反対の電荷が保持されます。 2 つの導体間に存在する誘電体は、それを通過する電界を発生させます。
厳密ではない方法でコンデンサがどのように機能するかを視覚化しようとする場合は、視覚化を容易にするために常に油圧アナロジーを取り上げることができます。水が流れているパイプの中にゴム膜があるとします。この場合、膜はコンデンサに相当するものです。水は膜を通って移動することはできませんが、膜が最大限に引き伸ばされた場合、一部の水は移動できます。この例えは、いくつかのことを明確にしています:
- 水が膜を伸ばすのと同じように、電流はコンデンサの電荷を変化させます。これは、コンデンサの一方のプレートがより多くの電荷を持ち、もう一方のプレートはクーロンの法則により電荷が減少することが観察されるという事実に触れています。片側の水の量が反対側の水の量に比べて増加するため、これもゴム膜に似ています。
- コンデンサの充電量が多いほど、コンデンサの電圧降下が大きくなります。これは、ゴム膜が伸びた距離に比例して水を押し戻すことに似ています。
- おかしな現象が発生します。つまり、電子が物理的に反対側を横切らなくても、電荷がコンデンサを通過できるということです。これは、パイプを流れる水に似ています。水分子が膜を通って流れることはできませんが、流れが同じ方向に永遠に続くことはできません。ゴム膜は壊れて、コンデンサの絶縁破壊に似た、あるしきい値で水を通過させる必要があります。
静電容量、電圧、電力、エネルギー
量的に言えば、静電容量は、要素によって保存できる単位電圧あたりの電荷です。コンデンサーの静電容量は、水筒の体積に例えることができます。ボトルが大きいほど、より多くの水を保存できます。同様に、コンデンサが大きいほど、その容量値も大きくなります。コンデンサの静電容量の式は次のとおりです。
C=Q/V
静電容量の単位はファラッド (F) です。コンデンサー プレートの両端に 1 つのボールトで 1 クーロンの電荷を蓄えることができる場合、静電容量は 1 ファラッドと言われます。上記の式で、Q は蓄えられる電荷の量を表し、V はコンデンサが経験する電圧または電位差です。
では、コンデンサにエネルギーがどのように蓄えられるかを理解してみましょう。これには、数学的な厳密さが必要です。あらゆるデバイスを流れる電流は、単位時間に流れる電荷量として計算できます。
I=dQ/dt
次のように、コンデンサの静電容量の値を再配置することによって:
C*dV=dQ
ここで、再構成された式を現在の式 (I=dQ/dt) に再度組み込むと、次の式が得られます。
I=C*dV/dt
完全に充電されるポイントまで充電される前に制限を取得することにより、両側でクロス乗算して定積分を取得することにより、次の式が得られます。
上記の式は、充電期間 T 後のコンデンサの電圧と電流を示します。コンデンサの電力は、次のような標準電力式を使用して取得できます。
P=VI
上記の式で、P はコンデンサによって吸収される電力を表します。 V と I は、それぞれコンデンサの電圧と電流を表します。ここで、コンデンサの電流式 (I=C*dV/dt) を代入すると、次の式が得られます。
P=V*C*(dV/dt)
消費者が消費するエネルギーは、上記の電力を積分することで取得できます。簡潔な 1 行の計算を実行して、洗練されたソリューションに到達できます。
このことから、コンデンサは正に電気を電位として蓄える原動力であると言えます。これを念頭に置いて、次の雷雨の間に、おびえている友達に、地球上で最大のコンデンサーによって実際に稲妻が作られていることを知らせることができます!
