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コンデンサーの公式と電気容量|蓄えるエネルギーの求め方

電池につないだコンデンサーには、電圧に比例した電気量がたまります。 の電池でためたあと につなぎ替えると、たまる電気量はちょうど 2 倍。

比が変わらないため、その比をコンデンサーごとの値として書けます。

これが電気容量です。単位はファラド(F)で、 をかけて たまるときが にあたります。

容量は電圧を上げても動かない

という分数だけを見ると、 を大きくすれば が小さくなりそうに見えます。実際には動きません。 を 2 倍にすると も 2 倍になり、割り算の答えが変わらないためです。

横軸に 、縦軸に をとると、原点を通る直線になる。傾きがそのまま です。

容量はこの直線の傾きであって、ある 1 点の値ではありません。 を測った点をどこにとっても、割り算の答えは同じ。

形で決まる部分

平行板コンデンサーの容量は、極板の面積 、間隔 、あいだを満たす物質の 3 つで決まります。

は誘電率です。真空では で、あいだに物質を入れると となり、比誘電率 の分だけ増える。

面積を広げると、同じ電圧でも多くの電荷が乗ります。間隔を詰めると、同じ電荷でも電圧が下がる。だから が分子、 が分母にきます。

極板のあいだの電場

極板間の電場は一様だから、電圧と間隔だけで書けます。

電場の単位が になるのは、この関係がそのまま単位に出ているためです。

面電荷密度 からも書けます。1 枚の極板がつくる電場は板の両側へ ずつ出ていき、2 枚を向かい合わせると内側で同じ向きに重なる。

外側では 2 枚の寄与が逆を向き、打ち消し合って に近づきます。

この を組み合わせると になります。 に入れれば で、形の式は電場から 3 行でたどれる。

エネルギーに 1/2 がつく理由

電荷を運ぶには仕事がいります。ただし 1 回ぶんの仕事は、運ぶたびに増えていく。

まだ何もたまっていない極板へ最初の電荷を運ぶとき、極板間の電圧は です。仕事はいりません。最後の電荷を運ぶときには電圧が まで上がっており、 ぶんの仕事がいる。

平均をとると になります。- グラフでいえば、直線の下にできる直角三角形の面積です。

書き方は 3 つあります。どれも同じ量で、 を入れて行き来するだけ。

例:容量から電気量を求める

のコンデンサーに をかけます。

です。電子 1 個の電荷が だから、割ると 個ぶんの移動にあたる。

例:形から容量を計算する

面積 、間隔 、あいだは真空とします。

畳半分ほどの極板を まで近づけても にとどまります。 という単位がどれだけ大きい容量を指しているかが、この数値に出ている。

例:あいだに誘電体を入れる

同じ形のまま、比誘電率 の板をはさみます。

。形をいじらずに容量を 5 倍にできます。

例:エネルギーから容量を逆算する

をたくわえるには、どれだけの容量がいるでしょうか。 について解きます。

になりました。電圧が 2 乗で効くため、容量を増やすより電圧を上げるほうがエネルギーは伸びます。

電池をつないだままか、外したか

問題文には、必ず動かないものが書いてあります。そこを見つけると使う式が決まる。

電池をつないだままなら、極板間の電圧が電池の起電力に固定されます。外してあれば、極板の電荷は行き場を失って固定される。

固定されるもの使う式容量が半分になると
電圧(電池つき)電気量もエネルギーも半分
電気量(電池なし)電圧もエネルギーも 2 倍

同じ操作でも、エネルギーが増えるか減るかがここで分かれます。とり違えると答えの向きが逆になる。

例:電池を外して間隔を 2 倍にする

が動けません。 が 2 倍だから は半分、 は 2 倍になります。

分母が半分になるため は 2 倍。増えたぶんは、引き合う極板を引き離すのに外から加えた仕事です。

例:電池をつないだまま間隔を 2 倍にする

今度は が動けません。 が半分になるため も半分、 も半分になります。

減った電荷は電池へ戻る。同じ「間隔を 2 倍」でも、電池を外したかどうかでエネルギーは 2 倍にも半分にもなります。

電池をつないだまま

電圧が固定される。容量が減れば電気量もエネルギーも減り、電荷は電池へ戻っていく

電池を外してから

電気量が固定される。容量が減れば電圧もエネルギーも増え、増えたぶんは外から加えた仕事

電池をつないだまま極板の間隔を 2 倍に広げると、たくわえられるエネルギーはどうなりますか。

  • 2 倍になる
  • 半分になる
  • 変わらない
__RESULT__

電池がつながったままだから が固定です。 が半分になり、 も半分になります。2 倍という答えは、電池を外して を固定した場合のものです。

面積を 2 倍、間隔を 2 倍にすると、容量はどうなりますか。

  • 変わらない
  • 2 倍になる
  • 4 倍になる
__RESULT__

で、分子と分母が同じ倍率で増えています。比が変わらないため容量は動きません。2 倍という答えは、面積だけを 2 倍にした場合のものです。

独立している式は の 3 つです。残りは、この 3 つに何を代入するかで決まります。

$Q=CV$ の比は、電圧を上げても動きません。$V$ を 2 倍にすれば $Q$ も 2 倍になり、$Q$-$V$ グラフの傾きがそのまま容量。形から出すなら $C=\varepsilon S/d$ で、極板間の電場は $E=V/d$ です。エネルギーに 1/2 がつくのは、電荷を運ぶあいだ電圧が $0$ から $V$ まで上がっていくため。グラフでは直線の下の三角形の面積にあたります。独立しているのは 3 つの式だけで、残りはそこへ代入するとたどれる。電池をつないだままなら電圧が固定され、外してあれば電気量のほうが固定される。同じ「間隔を 2 倍」でも、エネルギーが半分になるか 2 倍になるかがここで分かれます。