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。 が 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。
と 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。
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
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。
を 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。
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。
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。
















実効的な間隔は 2.0−0.5=1.5 mm です。C=1.52.0×50=67 pF になります。200 pF は間隔を 0.5 mm ととり違えた値です。