コンデンサは、電荷とエネルギーを蓄えるデバイスです。わずかな面積に大量の電流を蓄えるために使用されます。コンデンサの距離は、通常、2 つの電気導体を分離します。コンデンサは、ラジオ受信からの静電気のフィルタリングから除細動器へのエネルギーの保存まで、さまざまな用途に使用されます。
円筒形コンデンサは、半径 x の導電性円筒またはワイヤが、半径 y の同心の円筒形シェル (y>x) で囲まれている構成です。同心中空球形シリンダーは、円筒形コンデンサー内の中空または中実の円筒形導体を囲みます。
円筒形コンデンサのよく知られた例は、電力ケーブルです。
最も単純なコンデンサは、わずかな距離で分離された一対の絶縁導体です。コンデンサの場合、電荷 q と電位差 V は比例します。つまり、q =C V です。コンデンサの静電容量は比例定数 C です。ファラッドは静電容量の単位です。プレートに同じ印加電圧 V を適用すると、プレートの形状やサイズなどの物理的特性が異なるコンデンサは、異なる量の電荷を蓄えます。
コンデンサは、(a) 平行板コンデンサ、(b) 円筒形コンデンサ、(c) 球形コンデンサの 3 種類に分類されます。
ほとんどの場合、コンデンサの空間を分離するために誘電体が使用されます。
円筒形コンデンサの紹介
円筒形コンデンサは、間にある誘電体によって分離された 2 つの同心の円筒形シェルまたはワイヤで構成されています。
線形電荷密度を持つ円筒形の導体は、この形態のコンデンサの電荷密度を持つ同軸の円筒形導電シェルで囲まれています。コンデンサは、主に電気モーターやその他の電子機器に使用されます。
円筒形コンデンサの静電容量
内側の円柱の半径を「a」、外側の円柱の半径を「b」とします。イプシロン r を 2 つのシリンダー間の媒体の比誘電率とします。
ケーブルの長さ 1 m あたり、内側のシリンダーの外面に +Q クーロン、外側のシリンダーの内面に -Q クーロンの電荷を考慮してください。コアの表面の +Q クーロン/m の電荷は、すべての実用的な目的でその軸の近くに局在していると見なすことができます。外側のシリンダーはアースされています。
コンデンサに電荷 Q があると仮定します。
導体間の電界 E を決定する必要があります。導体構成が対称である場合、この計算にガウスの法則を適用できる場合があります。
導体間の電位差を決定
統合パスが 1 つの導体を次の導体に接続する場所、V=|VBVA|は電位差の大きさです。
既知の V を使用して、上記の式を使用して静電容量を計算します。
円筒形コンデンサの式は次のとおりです:
C =シリンダーの静電容量
L =円柱の長さ
a =円柱の内径
b =円柱の外径
静電容量は通常、単位電圧あたりの電荷として測定されます。
1 ファラッドは、1 ボルトあたり 1 クーロンとして計算されます。
その他のタイプのコンデンサ
平行板コンデンサ:平行板コンデンサは、2 つの平行な導電板で構成される最も基本的なコンデンサです。 C =(e0A) / d はこのコンデンサの静電容量です。ここで、A は各プレートの面積、d はプレート間の距離です。
球状コンデンサ:球状コンデンサは、半径が r1 と r2 で電荷がそれぞれ +q と –q の 2 つの同心円状の導電球で構成されます。
C =4πεo(r1r2) / (r2 – r1) は、球状コンデンサの静電容量です。
導体配列の形状のみが静電容量を決定します。
電解コンデンサは、別の一般的なタイプのコンデンサです。導電性ペーストに懸濁した酸化金属で構成されています。電解コンデンサの主な利点は、他のタイプのコンデンサに比べて静電容量が大きいことです。
2 組の平行板が可変コンデンサを構成します。
細胞生物学は、生細胞の原形質膜の電位を扱うキャパシタの概念の興味深い応用を提供します。細胞膜は、特定のイオンの出入りを可能にしながら、細胞を環境から区別します。膜の電位差は約 70 mV です。細胞膜の厚さは、7 から 10 ナノメートルの範囲です。
コンデンサに蓄えられるエネルギー
コンデンサに蓄えられるエネルギーは、バッテリーが行う仕事の観点から説明できます。電圧は単位電荷あたりのエネルギーを表すため、電荷要素 dq を負のプレートから正のプレートに転送するのに必要な仕事は V dq に等しくなります。ここで、V はコンデンサの電圧です。電圧 V は、任意の時点でのコンデンサの電荷量に比例します。
行われた仕事は、U =Q2 / 2C =(1/2)CV2 =(1/2)QV (V =Q/C) によって位置エネルギーとして保存されます。
設定された電位差 V でバッテリーまたはその他の電源に接続してコンデンサを充電する場合、C の値を大きくすると充電量が高くなります (Q =C)。
設定された電位差 V を提供するバッテリーまたは別の電源に接続してコンデンサを充電する場合、C の値を上げると、より高い電荷 (Q =C V) とより多くのエネルギーが蓄えられます。
結論
コンデンサは、電荷とエネルギーを蓄える電子デバイスです。コンデンサの距離は、通常、2 つの電気導体を分離します。電極は、これらのタイプの導電体を表すために使用される用語です。コンデンサ間の距離が単なる真空の場合、そのコンデンサは「真空コンデンサ」と呼ばれます。ギャップは通常、絶縁体である誘電体で満たされています。静電容量は、コンデンサの蓄電容量を決定する特性です。
