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コンデンサーに導体板をはさむと間隔が縮んだ扱いになる

間隔 、容量 のコンデンサーに、厚さ の金属板をはさみます。容量は になります。

金属板を上に寄せても、下に寄せても、まん中に置いても値は同じ。効くのは厚みだけで、位置は答えに出てきません。

の板を入れた結果は、間隔を に縮めた場合と区別が付かない。金属の中に電場が入り込めないためです。

金属の中は電場が 0

導体の内部では、静電気の状態で電場が になります[1]。自由電子が動ける状態で電場が残っていると、動きが止まらないためです。

極板間に入れた金属板でも同じ。板の上面と下面に電荷が誘導され、板の内部では電場を打ち消し合います。

電場が通れるのは、板の外に残った隙間だけになりました。

実効的な間隔で書き直す

厚さ の金属板を入れたコンデンサーの容量は、間隔から板の厚みを引いた値で決まります。

もとの容量 を使って書き直すと、倍率が見えます。

なら 倍。 になります。

金属板の厚みを間隔から引く

残った隙間の合計を新しい間隔とみなす

を当てる

位置によらない理由

板を上に寄せた場合を、2 つのコンデンサーの直列として計算してみます[2]

上の隙間を 、下の隙間を とすると、 です。

が別々には残らず、和だけが出てきました。どう分けても合計は なので、位置は効きません。

直列につないだコンデンサーは、間隔が足し算になる 形をしています。

逆数の和が容量の逆数になるので、平行板どうしなら分母の がそのまま足される。切れ目をどこに入れても和は変わらない。

例:電池を外して入れる

で充電してから電池を外し、金属板を差し込みます。 が固定される。

容量が に増えるので、電圧は下がります。

隙間の電場は変わらず のまま。働く距離が に縮んだので、 になりました。

エネルギーも下がります。

から へ。減った は、板が引き込まれるときの仕事になります。

金属板は吸い込まれる

エネルギーが下がる向きに動くので、金属板は自分から隙間へ入っていきます。

板の上面には負の電荷、下面には正の電荷が誘導される。どちらの極板とも引き合う配置です。

差し込むのに力は要りません。逆に、抜くときには の仕事が必要になります。

上の隙間が広がれば下が狭まる。和が変わらないので、容量も変わりません。

誘電体との違い

誘電体を入れた場合は、中の電場が にはならず に弱まるだけです[3]

金属は、この を無限大にした極限にあたります。中の電場がまったく残らない。

誘電体の板

中の電場は 倍。位置によって容量が変わらない点は同じだが、厚みの効き方が違う

金属の板

中の電場は 。厚みぶんだけ間隔が縮んだ扱いになる

厚さ の誘電体を入れた場合の実効的な間隔は とすれば に一致します。

例:薄い金属箔なら効かない

の箔を入れてみます。

1\ \mathrm{%} しか増えません。厚みがなければ、実効的な間隔もほとんど縮まない。

金属を入れると容量が大きく増える、と覚えていると外します。効くのは厚みで、金属かどうか自体ではありません。

例:極板に触れさせる

板を上へ寄せていき、上の極板に触れさせます。 になり、上下の隙間は すべてが下側に来る。

容量の式は変わりません。 のままです。

さらに厚みを増やして とすると、隙間が になって容量は無限大。これは 2 枚の極板が導体でつながった状態、つまり短絡にあたります。

検算のしかた

を入れたとき に戻るかを見ます。戻らなければ式の形が違う。

に近づけたとき、容量が発散するかも確かめます。発散しない式なら、どこかで引き算の向きを間違えています。

電場と電圧の関係でも確かめられる。隙間の電場に を掛けた値が電圧になるはずです。

金属板の厚みを間隔に足してしまう。引きます。
板の位置で容量が変わると考える。
金属板の中に電場が残っていると考える。
金属板を入れたときの電圧を、 のまま出す。 です。
薄い箔でも容量が大きく変わると考える。

間隔 、容量 のコンデンサーに、厚さ の金属板をはさみます。容量はどれですか。

__RESULT__

実効的な間隔は です。 になります。 は間隔を ととり違えた値です。

金属板が入っている図を見たら、板の厚みを消して間隔を縮めた図に描き直す。それだけで、ふつうの平行板の問題に戻ります。

参考

Conductors in Electrostatic Equilibrium. University Physics Volume 2, OpenStax.
*Électricité — Condensateur plan*. Université de technologie de Compiègne.
Roland Mitdank. *Feld und Kapazität eines Plattenkondensators*. Institut für Physik, Humboldt-Universität zu Berlin.
間隔 $1.0\ \mathrm{mm}$、$100\ \mathrm{pF}$ のコンデンサーに厚さ $0.4\ \mathrm{mm}$ の金属板をはさむと $167\ \mathrm{pF}$。上に寄せても下に寄せても値は同じで、効くのは厚みだけです。上下の隙間を直列とみなすと $a + b = d - t$ しか残らないため。電池を外してから入れれば電圧は $60\ \mathrm{V}$ へ下がり、エネルギーも $0.20\ \mu\mathrm{J}$ 減って、板は自分から吸い込まれる。誘電体の比誘電率を無限大にした極限が金属板にあたること、$0.01\ \mathrm{mm}$ の箔なら $1\ \mathrm{%}$ しか増えないことまで。