コンデンサはエレクトロニクス分野の基本部品であり、さまざまな電子回路で重要な役割を果たしています。静電容量と電荷の概念を理解することは、電気工学の領域を深く探求しようとする人にとって不可欠です。この記事では、コンデンサについて簡単に紹介し、静電容量について説明し、その動作を支配する方程式を詳しく掘り下げます。
コンデンサとは
コンデンサは、電界内に電気エネルギーを蓄える受動的な 2 端子電子部品です。コンデンサの構造は、通常は金属で構成され、間に誘電体を挟んで離れて配置された 2 つの導電板で構成されます。コンデンサの端子間に電圧差が印加されると、コンデンサのプレートに電荷が蓄積され、コンデンサのプレート間に電界が形成されます。
静電容量とは
静電容量は、デバイスまたはコンポーネントの単位電圧あたりにどれだけの電気エネルギーを蓄えることができるかを示す尺度です。静電容量の単位はファラドです。
チャージとは
電荷は電気エネルギーの存在として説明されます。記号はQ、単位はクーロンです。
コンデンサの働き
コンデンサの端子間に電圧が印加されると、プレート間に形成される電場によって電子の運動が開始されます。コンデンサの負極板は、電圧源の負端子から移動した電子の収集点になります。
同時に、同じ数の電子がコンデンサの正極板から出て、電圧源の正端子に戻ります。
この電荷の蓄積と再分配はコンデンサが完全に充電されるまで続き、その時点で電子の流れが止まり、コンデンサに蓄えられた電荷は次の方程式を使用して決定できます。
与えられた方程式において、「Q」は 充電 の中に蓄積された コンデンサ , 「C」は、 キャパシタンス 、「V」はコンデンサにかかる印加電圧を表します。
この式は、静電容量と印加電圧の間の比例関係を示しており、コンデンサーに保持される電荷量がこれらの変数の両方に直接関係していることを示しています。したがって、静電容量または電圧のいずれかを増加すると、より多くの電荷が蓄積されます。
平行平板コンデンサの静電容量
コンデンサの静電容量は、プレートの表面積 (A) とプレート間の分離距離 (d) によって決まり、両方の要素が全体の静電容量に影響します。プレートの面積が大きいほど静電容量は大きくなり、プレート間の距離が小さいほど静電容量は増加します。この関係は次の方程式で表されます。
コンデンサは電気エネルギーを蓄積する機能を備えており、蓄積されたエネルギー量 (U) は、印加電圧 (V) の二乗とコンデンサの静電容量 (C) の両方に正比例します。コンデンサに蓄えられるエネルギーの方程式は次のようになります。
コンデンサに蓄えられるエネルギーを知ることは、回路設計、特にエネルギー放出や瞬時電力要件が重要なアプリケーションにおいて極めて重要です。
球状コンデンサの静電容量
球状コンデンサの静電容量を計算するには、内側と外側の両方の導電性球の半径を知る必要があります。コンデンサの形状と球の間に配置された材料の誘電率によって静電容量が制御されます。球状コンデンサの静電容量を計算する式は次のとおりです。
一方、「εᵣ」という記号は、球の間にある物質の比誘電率または誘電率を表すために使用されます。また、「r1」は内球の半径、「r2」は外球の半径を表します。
材料の半径と誘電率の値を代入することで、球状コンデンサの静電容量を計算できます。内部球の半径が無視できる場合、または点電荷とみなされる場合、静電容量の式は次のように単純化されることに注意してください。
この場合、静電容量は外球の半径と材料の誘電率によってのみ決まります。
円筒形コンデンサの静電容量
円筒形コンデンサの静電容量を計算するには、コンデンサの長さ (L)、内部導体の半径 (r1)、および外部導体の半径 (r2) を知る必要があります。コンデンサの形状と球の間に配置された材料の誘電率によって静電容量が制御されます。円筒形コンデンサの静電容量を計算する式は次のとおりです。
一方、記号「εᵣ」は、球の間にある物質の比誘電率または誘電率を表すために使用されます。また、「r1」は内球の半径、「r2」は外球の半径を表します。
結論
コンデンサはエレクトロニクスにおいて重要なコンポーネントであり、エネルギーの貯蔵と電圧の調整を可能にします。ファラッド (F) で測定される静電容量は、コンデンサの電荷を蓄積する能力を定量化します。これは蓄積された電荷 (Q) に正比例し、コンデンサの端子間の電圧 (V) に反比例します。