誘電媒体の有無にかかわらずコンデンサ

コンデンサは、電気エネルギーを蓄える装置です。近接した 2 つの導体で構成されます。両方の導体は互いに絶縁されています。ここで提供できる最も単純な例は、平行板コンデンサです。コンデンサには多くの重要な用途があります。これは、大規模なコンピュータ メモリに保存されている情報の損失を防ぐために、デジタル回路で使用されます。一時的な電力損失の場合、これらのコンデンサは情報を維持します。コンデンサは、スプリアス電気信号を迂回させるフィルターとしても使用され、電気サージによる損傷を防ぎます。

誘電体とは?

誘電体は絶縁体です。あるいは、電流の非常に弱い導体として定義することもできます。電場に置くと、ほとんど電流が流れません。その理由は、物質中をドリフトする可能性のあるゆるく束縛された電子や自由電子がないからです。ここで発生するのは電気分極です。

分極とは、誘電体内の正電荷が電界の方向に微小に移動することを意味します。負の電荷は電界の反対方向に微小に移動します。

コンデンサにおける誘電体の役割

誘電体は、コンデンサ内で 3 つの主な機能を果たします:

誘電媒体付きコンデンサ

2 枚の平行な荷電金属板の間に誘電体層が配置されます。この場合、電場は右から左に向く必要があります。誘電体の正の核は、電界とともに右に移動します。負の電子は電界に逆らって左に移動します。磁力線は正電荷で始まり、負電荷で終わるため、誘電体の各応力原子内の電界は左から右を指します。これは、2 つの金属プレートの外部フィールドの反対側になります。ここで、電場はベクトル量です。そして、2 つのベクトルが反対方向を指している場合、結果を得るには、それらの大きさを引きます。 2 つの電界は金属のように誘電体では相殺されないため、全体的な結果として 2 つのプレート間の電界が弱くなります。

平行板コンデンサ

平行板コンデンサには、電極と絶縁体が平行なパターンで配置されています。 2枚の導電板が電極です。誘電体はそれらの間に配置されます。これは、プレートの仕切りとして機能します。コンデンサの 2 つのプレートは同じようなサイズです。プレートは電源に差し込まれます。バッテリーのプラス端子に接続されているプレートは、プラスの電荷を受け取ります。バッテリーのマイナス端子に接続されているプレートは、マイナスの電荷を受け取ります。この引力の結果、電荷はコンデンサのプレート内に閉じ込められます。

静電容量

同じ印加電圧に対する電荷量は、コンデンサによって異なります。それらの静電容量 C は、コンデンサに蓄えられる電荷 Q が C に比例するように定義されます。コンデンサに蓄えられる電荷は、Q=CV で与えられます。

式を並べ替えると、静電容量 C が 1 ボルトあたりに蓄えられる電荷の量、つまり C =QV であることは明らかです。

Farad または F は静電容量の単位であり、Michael Faraday にちなんで命名されました。誘電体媒体のない平行板コンデンサの静電容量は、C=ϵ₀Ad として与えられます。

誘電体が静電容量を増加させる仕組み

誘電体は、絶縁体の分極により静電容量を増加させます。分極が容易になればなるほど、その誘電率 K は大きくなります。たとえば、水です。分子の一方の端がわずかに正の電荷を持ち、もう一方の端がわずかに負の電荷を持っているため、水は極性分子です。水の極性により、誘電率が 80 と比較的大きくなります。

誘電媒体を使用した平行板コンデンサの静電容量の式は

C=κϵ₀Ad

ここで、k は材料の誘電率を表します。

結論

コンデンサは、電荷を蓄えるために使用されるデバイスです。距離を置いて分離された 2 つの同一の平行な導電板で構成されるコンデンサは、平行板コンデンサと呼ばれます。コンデンサは、コンデンサの 2 つの金属板を絶縁するために誘電体を使用します。誘電体を使用すると、コンデンサの静電容量が増加し、より効果的になります。平行平板コンデンサは、電極と絶縁体を平行に並べ、その間に誘電体を配置したコンデンサです。理想的なコンデンサには誘電体は必要ありませんが、プレート間に真空が必要です。しかし、現代ではコンデンサを真空に取り付けることが難しいため、誘電体がプレート間に使用されています。誘電体媒体を使用しない平行板コンデンサの静電容量は、誘電体媒体を使用する平行板コンデンサの静電容量よりも小さくなります。