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English

直流回路のコンデンサーは定常状態で断線と同じになる

の電池に を直列につなぎ、 と並列に を置きます。じゅうぶん時間がたつと、電荷は になります。

コンデンサーの枝に の抵抗を足しても、答えは のまま。その抵抗には電流が流れないので、電圧降下も起きません。

定常状態では、コンデンサーの枝は切れているのと同じ扱いになります。

電流が流れなくなる理由

コンデンサーの極板のあいだは絶縁されています。電荷が溜まりきると、それ以上は移動できません[1]

充電の途中は電流が流れますが、時間とともに指数関数で減っていく。じゅうぶん時間がたてば とみなせます。

電流が なら、同じ枝にある抵抗の電圧降下も だからです。

コンデンサーの枝を切り離して回路を描き直す

残った回路の電流と、枝がつながっていた 2 点間の電位差を出す

その電位差をコンデンサーの電圧として を当てる

例:抵抗に並列につなぐ

の直列に を掛けます。コンデンサーの枝を切ると、ただの直列回路です。

の両端の電位差を出します。

コンデンサーはこの 2 点につながっているので、同じ が掛かります。

枝の抵抗は答えに出てこない

コンデンサーと直列に を入れてみます。定常状態で電流は なので、この抵抗の電圧降下も

コンデンサーの電圧は のままです。電荷も で変わりません。

変わるのは、そこへ到達するまでの時間だけ。抵抗が大きいほど充電に時間が掛かります[1]

定常状態で答えに効くのは、電流が流れている経路の抵抗だけ です。

コンデンサーの枝にある抵抗は、充電の速さを決めるだけで最終的な電荷には出てこない。

例:スイッチを入れた瞬間

もう一方の極端も押さえておきます。充電前のコンデンサーは電圧が です[1]

電圧が の素子は、導線と同じ振る舞いをする。つまり短絡した扱いになります。

さきほどの回路なら、 がコンデンサーで短絡されます。

定常状態の の 3 倍です。時間とともに へ落ちていきます。

入れた瞬間

コンデンサーの電圧は 。導線として描き直す

じゅうぶん時間がたったあと

コンデンサーの電流は 。切れた線として描き直す

例:コンデンサーが 2 つある回路

を、それぞれ並列でつなぎます。

定常状態では両方の枝が切れているので、電流はさきほどと同じ

各抵抗の電圧を出します。 には には

コンデンサーどうしは直列につながっているように見えますが、あいだに電池と抵抗が入っているので電荷が共通にはなりません。電位差から別々に出します。

素子定常状態の電圧電荷

充電すると半分は熱になる

の電池で を、抵抗を通して充電します。最終的な電荷は

電池がした仕事は、運んだ電荷に電圧を掛けた値です。電池の電圧は最後まで のまま。

コンデンサーに蓄えられるのはその半分です[2]

残りの は抵抗で熱になります。抵抗の値を変えても、この割合は動きません。

検算のしかた

コンデンサーの枝を切った回路で、キルヒホッフの関係が成り立っているかを見ます。切ったあとはただの抵抗回路なので、確かめは早い。

電位差の向きも確かめます。コンデンサーの電圧は、つながっている 2 点の電位の差。どちらが高いかで極板の符号が決まります。

極端な場合に戻すのも有効です。容量を に近づければ電荷も に近づき、大きくすれば比例して増えるはず。

定常状態でもコンデンサーに電流が流れると考える。
コンデンサーの枝にある抵抗を、合成抵抗の計算に入れる。
コンデンサーの電圧に、電池の電圧をそのまま使う。
スイッチを入れた瞬間の電流を、定常状態の値と同じにする。
2 つのコンデンサーの電荷が共通だと考える。あいだに電池があれば別々です。

の電池に を直列につなぎ、 と並列に を置きます。じゅうぶん時間がたったときの電荷はどれですか。

__RESULT__

コンデンサーの枝を切ると電流は の電圧は です。 になります。 は電池の をそのまま掛けた値です。

枝を切って回路を解き、出た電位差を掛け直す。この 2 段に分ければ、コンデンサーが何個あっても手順は同じです。

参考

RC Circuits/University_Physics_II_-_Thermodynamics_Electricity_and_Magnetism_(OpenStax)/10%3A_Direct-Current_Circuits/10.06%3A_RC_Circuits). University Physics II, Physics LibreTexts.
Energy Stored in a Capacitor. University Physics Volume 2, OpenStax.
Roland Mitdank. *Feld und Kapazität eines Plattenkondensators*. Institut für Physik, Humboldt-Universität zu Berlin.
$12\ \mathrm{V}$ の電池に $2\ \Omega$ と $4\ \Omega$ を直列につなぎ、$4\ \Omega$ と並列に $10\ \mu\mathrm{F}$ を置くと電荷は $80\ \mu\mathrm{C}$。コンデンサーの枝に $6\ \Omega$ を足しても答えは動きません。電流が $0$ なら、その抵抗の電圧降下も $0$ になるためです。枝を切って回路を解き、出た電位差を掛け直す。この 2 段で片づきます。スイッチを入れた瞬間は逆に短絡とみなせて、電流は $6\ \mathrm{A}$ から $2\ \mathrm{A}$ へ落ちていく。充電では電池がした仕事の半分が抵抗で熱になり、その割合が抵抗の値によらないことまで。