| English | 意味 |
|---|---|
| capacitor/kəˈpæsɪtə/ | コンデンサ |
| farad/ˈfæræd/ | ファラ |
カメラのフラッシュ：ゆっくりと電荷を蓄え、一気に解放する
- カメラは静かに充電され、瞬時に光のバーストを発します。
- その背景にはコンデンサがあります。これは電気的電荷を蓄積し、速く放出する装置です。
- 2つの導体が逆符号の電荷を持ち、その間に電場が閉じ込められています。
- コンデンサはフラッシュの駆動、電源の平滑化、タイミング回路に使用されます。
コンデンサとは何か
- コンデンサとは、小さな隙間を挟んで離隔した2枚の導体板です。
- 電圧を印加すると、一方の板に + 電荷、もう一方の板に − 電荷が現れます。
- 静電容量 $C = \dfrac{Q}{V}$ は、ボルトあたりいくつの電荷を蓄えられるかを示します。
- 静電容量の単位はファラド（$1\ \text{F} = 1\ \tfrac{\text{C}}{\text{V}}$）です。
コンデンサに充電する
コンデンサの充電に伴い極板上に電荷が蓄積する様子を見たり、放電したりします。
$2\ \text{F}$ のコンデンサに $3\ \text{V}$ で充電しました。これには $\text{C}$ 単位の電荷が蓄えられていますか？
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$Q = CV = 2 \times 3 = 6\ \text{C}$.
静電容量（キャパシタンス）の定義は以下の通りです：
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$C = Q/V$ — ボルトあたりに蓄えられる電荷量。
静電容量の単位は ____ です。
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$1\ \text{F} = 1\ \tfrac{\text{C}}{\text{V}}$.
エネルギーの蓄積
- 帯電したコンデンサは、板の間の電場にエネルギー $U = \tfrac12 C V^2$ を蓄えます。
- 静電容量が大きいほど、あるいは電圧が高いほど、蓄えられるエネルギーは多くなります。
- バッテリーとは異なり、ほぼ瞬間的にエネルギーを放出できるため、カメラのフラッシュなどに利用されます。
- 充電および放電には時間がかかり、その時間は回路によって決まります（RC回路で後述）。
同じ $2\ \text{F}$ コンデンサを $3\ \text{V}$ にしたとき、$\text{J}$ 単位のエネルギーはどれだけ蓄えられますか？
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$U = \tfrac12 CV^2 = \tfrac12 (2)(9) = 9\ \text{J}$.
静電容量を決定する要素
- 板の面積が大きいほど多くの電荷を蓄えるため、広い面積 ⇒ 静電容量が大きくなります。
- 板間の狭い隙間 ⇒ 静電容量が大きくなります（電荷間の引力が強くなるため）。
- 板の間に挿入される絶縁体である誘電体が、さらに静電容量を増大させます。
- つまり、静電容量は電圧ではなく、幾何学的形状によって決まります。
コンデンサの両端の電圧を上げると、静電容量は変化します。
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静電容量は形状によって固定されており、$V$を上げるとより多くの$Q$が蓄えられるが、$C = Q/V$は同じまま維持される。
コンデンサの静電容量を増加させる変化をすべて選択してください。
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大きな面積、小さな隙間、そして誘電体はすべて $C$ を増加させます。電圧は $C$ を変化させません。
静電容量 $C = Q/V$ は、コンデンサそのもの（極板とギャップ）の固有の性質です — 電圧を変えても 変化しません。$V$ を上げると、より多くの電荷 $Q$ が蓄えられ、比率 $C$ は一定に保たれます。
静電容量 $C = 2\ \text{F}$ のコンデンサに電圧 $V = 3\ \text{V}$ で充電しました。
- 蓄えられた電荷：$Q = CV = 2 \times 3 = 6\ \text{C}$ 。
- 蓄えられたエネルギー：$U = \tfrac12 CV^2 = \tfrac12 (2)(3^2) = 9\ \text{J}$ 。
コンデンサは2枚の板に電荷を蓄え、その静電容量 $C = \dfrac{Q}{V}$ （単位：ファラド）は幾何学的形状によって固定されており、電圧には依存しません。エネルギー $U = \tfrac12 CV^2$ を蓄え、非常に速く放出できるため、カメラのフラッシュや平滑回路の基礎となっています。