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コンデンサーと誘電体を電池つきと電池なしで比べる

充電したコンデンサーがたくわえるエネルギーは、3 通りに書けます[1]

どれも同じ量で、 を代入して行き来しているだけ。分かっている 2 つに合わせて選びます。

目に付くのは です。電池が の電圧で を運んだのなら になりそうなのに、半分しかたまっていません。

途中の電圧は より低い

充電のはじめは、極板に何もたまっていないので電圧は です。運ぶのに仕事は要りません。

たまるにつれて電圧が上がり、次の電荷を運ぶのが重くなる。最後の 1 滴だけが の高さを登ります。

たまった状態で を運ぶ仕事は 。これを から まで積みます[1]

平均すれば の高さを ぶん運んだことになります。だから の半分。

薄い四角が 、青い三角がその半分です。電池が出したエネルギーのうち、半分は配線の抵抗などで熱になります。

エネルギーは電場のなかにある

エネルギーがどこにあるのか、と問うと、答えは極板のあいだの空間です。単位体積あたりのエネルギーは次の形になります[1]

コンデンサーに限らず、電場のあるところならどこでも成り立ちます。極板間の体積 を掛ければ に戻る。

誘電体を入れると容量が増える

極板のあいだを物質で満たすと、容量が増えます[2]

は比誘電率で、真空を とした値です。空気はほぼ 、ガラスなら ほど[3]

理由は誘電分極です。物質のなかの分子が電場の向きにそろい、表面に電荷が現れる。この電荷が元の電場を打ち消す向きにはたらくので、あいだの電場が弱まります。

canvas: 絵を作れませんでした

電池をつないだままか、外してからか

誘電体を入れる操作は、電池の状態で結果が変わります。固定されるものが違うためです[2]

つないだままなら電圧が固定され、容量が増えたぶん電荷が増えます。足りない電荷は電池から流れこむ。

外してからなら電荷が固定され、電圧のほうが に下がります。電場が弱まったぶん、極板間の電位差も下がる。

電池をつないだまま

が一定。 倍になり、エネルギーも 倍に増える

電池を外してから

が一定。 倍、 とエネルギーは に減る

外してから入れた場合、エネルギーが減ります[2]。消えたわけではなく、誘電体を極板のあいだへ引きこむ仕事に使われている。

誘電体は、電場の強いほうへ 引きこまれる 性質を持ちます。手を離すと自分から極板のあいだに入っていく。

入るとエネルギーが下がるので、自然にその向きへ動く。坂を転がるのと同じ理屈になる。

例 1:たまるエネルギー

のコンデンサーに を掛けます。

。小さな値ですが、短時間で放出すれば大きな電力になります。

例 2:除細動器

をためるのに必要な容量を出します[1]

です。これを数ミリ秒で放電すると、瞬間の電力は 万ワットを超えます。

例 3:エネルギー密度から出す

極板間の電場が のとき、 あたりのエネルギーを出します。

体積が なら、全体で になります。

例 4:つないだまま誘電体を入れる

のコンデンサーを につなぎ、そのまま の誘電体を入れます。

容量は 、電圧は のまま。電荷は で、入れる前の 5 倍です。

エネルギーは 。もとの の 5 倍に増えました。増えたぶんは電池が出しています。

例 5:外してから誘電体を入れる

同じ で充電し、電池を外してから誘電体を入れます。

電荷は のまま。容量が になるので、電圧は へ下がります。

エネルギーは 。もとの 5 分の 1 です。

例 6:どこへ消えたか

例 5 で減った は、誘電体が極板のあいだへ引きこまれるときの仕事になっています。

手で押さえながらゆっくり入れれば、そのぶんの仕事を手が受けます。手を離せば誘電体が加速して入り、振動しながら熱に変わる。どちらでも収支は合います。

充電したコンデンサーから電池を外し、そのあとで比誘電率 の誘電体を差しこみました。電圧はどうなりますか。

  • 変わらない
  • になる
  • 倍になる
__RESULT__

電池を外したので電荷が固定されます。容量が 倍になるので、 から電圧は へ下がる。電池をつないだままなら電圧が固定され、代わりに電荷が 倍に増えます。どちらが固定されているかで答えが入れかわります。

固定されるものの一覧

入れかた固定される量増えるもの
つないだまま電圧
外してから電気量 だけが

問題文に「電池をつないだまま」と書いてあれば電圧、「電池を外してから」と書いてあれば電気量。ここを読み落とすと、増減がそっくり逆になります。

エネルギーの式も、固定されている量に合わせて選びます。電圧が固定なら 、電気量が固定なら 。どちらも の動きだけを追えばよくなる。

参考文献

8.4: Energy Stored in a Capacitor/University_Physics_II_-_Thermodynamics_Electricity_and_Magnetism_(OpenStax)/08%3A_Capacitance/8.04%3A_Energy_Stored_in_a_Capacitor). Physics LibreTexts, OpenStax University Physics Volume 2.
8.5: Capacitor with a Dielectric/University_Physics_II_-_Thermodynamics_Electricity_and_Magnetism_(OpenStax)/08%3A_Capacitance/8.05%3A_Capacitor_with_a_Dielectric). Physics LibreTexts.
Plattenkondensator: Formel, Kapazität und Feldlinien. StudySmarter(ドイツ語).
たくわえたエネルギーが $QV$ ではなく $\frac{1}{2}QV$ になるのは、充電の途中で電圧が $0$ から上がっていくためです。最後の 1 滴だけが $V$ の高さを登り、平均すれば $V/2$。エネルギーは極板のあいだの空間にあり、密度は $\frac{1}{2}\varepsilon_0E^2$ で書けます。誘電体を入れると分極で電場が弱まり、容量が $\kappa$ 倍に増える。ここから先は電池の状態で結果が分かれます。つないだままなら電圧が固定されて電荷とエネルギーが増え、外してからなら電気量が固定されて電圧が下がる。減ったエネルギーの行き先まで追いました。