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コンデンサーの合成容量〜直列と並列が抵抗と逆になる仕組み

コンデンサーの合成容量は、抵抗と逆の形になります。並列で足し算、直列で逆数の和です[1]

丸暗記すると、抵抗のほうと入れかわります。どちらがそろうかを追えば、式は自分で作れる。

並列は電圧がそろう

並列につないだコンデンサーは、どれも同じ 2 点のあいだにあるので電圧が等しくなります[1]

電荷のほうは分かれます。それぞれが をため、全部を足したものが全体の電荷。

でくくれば、合成容量が足し算だと分かります。

直列は電荷がそろう

直列では、どのコンデンサーにも同じ大きさの電荷がたまります[1]

理由は、あいだにはさまれた導体が電池とつながっていないことです。全体としては電気的に中性のまま、片側に 、反対側に が現れる。1 か所に がたまれば、鎖のように同じ が並びます。

電圧のほうが分かれます。

括弧の中が にあたります。2 個だけなら和分の積も使えます。

抵抗と逆になる理由

抵抗 は流れにくさをあらわし、容量 はたまりやすさをあらわします。向きが逆の量なので、合成の形も入れかわる。

比べるなら、 ではなく を「たまりにくさ」として見ます。この と同じふるまいをする。直列で足され、並列で逆数の和になります。

抵抗 R

流れにくさ。直列で足し算、並列で逆数の和。並列にすると小さくなる

容量 C

たまりやすさ。並列で足し算、直列で逆数の和。直列にすると小さくなる

形で見ると納得できる

同じコンデンサー 2 個を並列にすると、極板の面積が 2 倍になったのと同じです。 が倍になる。

直列にすると、間隔が 2 倍になったのと同じ。 が倍になるので容量は半分です[2]

つなぎ方の式を忘れても、極板の形がどう変わったかを思い出せば向きが決まります。並列は横に広がり、直列は縦に伸びる。

直列にすると容量は減りますが、耐えられる電圧は上がり ます。電圧が分かれるので、1 個あたりに掛かる負担が軽くなる。

高い電圧を扱う回路でコンデンサーを直列に並べるのは、容量を減らすためではなく、この分担のため。

例 1:並列でつなぐ

を並列にします[1]

いちばん大きい よりさらに大きくなります。並列では必ずこうなる。

例 2:直列でつなぐ

同じ 3 個を直列にします[1]

いちばん小さい よりさらに小さくなりました。直列では必ずこうなります。

例 3:直列での電圧の分かれ方

を直列にし、 を掛けます。

合成容量は 。たまる電荷は次のとおり。

この が両方に共通です。電圧はそれぞれ

小さい容量のほうに大きい電圧が掛かります。抵抗の直列とは逆の分かれ方になる。

例 4:混ざった回路

の直列に、 を並列でつなぎます。

直列の部分からまとめます。

これに を並列で足して 。抵抗のときと手順は同じで、足す場所だけが入れかわります。

例 5:同じものを並べる

個並列にすると 、直列にすると です。

4 個なら 。同じ部品でも、つなぎ方で 16 倍の差が出ます。

例 6:エネルギーで確かめる

例 3 の回路で、それぞれがたくわえるエネルギーを出します。 を使う。

合計は 。合成容量から出した と一致します。

を直列につなぎました。合成容量はいくつですか。

__RESULT__

和分の積で です。直列の合成は、いちばん小さい よりさらに小さくなります。 は並列にした場合の値。抵抗の直列と混ぜると、この 2 つが入れかわります。

抵抗との対応

つなぎ方抵抗コンデンサー
直列そろうのは電流そろうのは電荷
直列の合成
並列そろうのは電圧そろうのは電圧
並列の合成

並列はどちらも電圧がそろいます。分かれるのが抵抗では電流、コンデンサーでは電荷。

直列でそろうものが違うところが、式の形を分けています。抵抗は電流、コンデンサーは電荷。ここを押さえておけば、どちらの式も導き直せます。

参考文献

8.3: Capacitors in Series and in Parallel/University_Physics_II_-_Thermodynamics_Electricity_and_Magnetism_(OpenStax)/08%3A_Capacitance/8.03%3A_Capacitors_in_Series_and_in_Parallel). Physics LibreTexts, OpenStax University Physics Volume 2.
Plattenkondensator: Formel, Kapazität und Feldlinien. StudySmarter(ドイツ語).
Conducteurs en équilibre, condensateurs. Physagreg(フランス語).
並列で足し算、直列で逆数の和。抵抗とちょうど入れかわるので、丸暗記すると必ず混ざります。追うべきは「どちらがそろうか」で、並列は電圧、直列は電荷。直列で電荷がそろうのは、あいだにはさまれた導体が電池とつながっておらず、全体で中性のまま両端に同じ電荷を並べるためです。極板の形で見ると、並列は面積が増えたのと同じ、直列は間隔が広がったのと同じ。$C=\varepsilon S/d$ の $S$ と $d$ が動いたと思えば向きを間違えません。直列では小さい容量に大きい電圧が掛かる計算も入れました。