コンデンサーを使ってみよう

コンデンサのしくみを知ろう

ここで使う道具

コンデンサ(capacitor)

電荷(電気エネルギー)を蓄えたり放出したりする部品だよ
キャパシタともいうよ

コンデンサの容量(どのくらい電気をためる力があるか)を静電容量といい、コンデンサの頭文字をとって「C」で表すよ
C の単位は F(ファラド)だよ

コンデンサのしくみ

コンデンサの内部は、誘電体(絶縁体)を電極で挟んだ構造になっているよ
誘電体(絶縁体)は電気を通さない物質だよ
誘電体(絶縁体)の種類によってさまざまなコンデンサがあるよ コンデンサの両端に電圧がかかると、電流がながれて + の電気と - の電気が両端の電極に溜まるよ 電極の間は絶縁体だから電気が流れないけど、かわりに絶縁体の原子内の電子が + 側に引き寄せられて
全体として絶縁体の両端が + と - になるよ
この現象を「誘電分極」もしくは「静電誘導」というよ

コンデンサの種類

いろんな種類があるよ 単位が書いてなくて数字3桁の場合、書いてある数字の読み方は抵抗と同じだよ
ただし、ベースになる単位は pF(ピコファラッド) = 10-12 だよ

例)103 = 10 x 103 pF = 104 pF = 104 x 10-12 F = 10-8 F = 10-2 x 10-6 F = 10-2 μF = 0.01μF

例)332 = 33 x 102 pF = 3300 pF = 3300 x 10-12 F = 3.3 x 10-9 F = 3.3 x 10-3 x 10-6 F = 3.3 x 10-3 μF = 0.0033μF


数字が1つもしくは2つの場合、μF 単位での値だよ
電解コンデンサの表記で多いよ

例)2.2 = 2.2μF

セラミックコンデンサ

マイカコンデンサ

ペーパーコンデンサ

プラスチックフィルムコンデンサ

マイラーコンデンサ(ポリエステルフィルムコンデンサ)

スチロールコンデンサ(ポリスチレンフィルムコンデンサ)

電解コンデンサ

化学反応によってプラス極の金属にできる酸化皮膜が誘電体になるよ
誘電体がとっても薄いので、小型で大きな容量が得られるよ
ただし、電気的な特性は他の種類にコンデンサに比べて劣るよ
極性をもつものが多いよ

タンタル電解コンデンサ

アルミ電解コンデンサ

回路記号

極性あり

コンデンサにかかる電圧の変化をみてみよう

100μF のアルミ電解コンデンサと抵抗を直列接続し、スイッチをいれた瞬間から
コンデンサにかかる電圧がどうなるかみてみよう アルミ電解コンデンサは足の長い方が + 側だよ
向きに注意してね
コンデンサにかかる電圧がじょじょに大きくなっていって、電源電圧(この場合電池)と同じ値になったね

どうしてこうなるのか説明するよ

1. 最初

最初コンデンサには電荷が溜まっていないから、コンデンサにかかる電圧は 0V だよ
だから抵抗には 3V - 0V = 3V がかかるね
ということは、回路に流れる電流は
3V / 10kΩ = 0.3mA
だね

コンデンサに流れる電流が大きいほど、1秒間に溜まる電荷の量が大きくなるよ

2. 充電途中

コンデンサに電荷が溜まっていって、1V 分たまった瞬間を考えてみよう
このとき抵抗には 3V - 1V = 2V がかかるね
電流は 2V / 10kΩ = 0.2mA になるよ

最初は 0.3mA だったから、回路に流れる電流は小さくなっているね
ということは1秒間にコンデンサ溜まる電荷の量も少なくなっているよ つまり、コンデンサにじょじょに電荷がたまると、その分抵抗にかかる電圧が小さくなるので
回路に流れる電流も小さくなり
じょじょに充電される電荷が少なくなるよ

3. 充電完了

電源電圧と同じ電圧分の電荷がコンデンサに溜まると、抵抗にかかる電圧が 0V になるので
電流が流れなくなり、コンデンサの充電はストップするよ

静電容量と電荷の関係

静電容量 C のコンデンサに電荷 Q が溜まっているとき、コンデンサの両端にかかる電圧は
V = Q / C
になるよ。

つまり、同じ電荷 Q が溜まっていても静電容量 C が大きいと電圧は小さくなるよ。

抵抗を変えてみよう

コンデンサに流れる電流が大きいほど、1秒間に溜まる電荷の量が大きくなるから
抵抗を大きくすれば電流が小さくなって、コンデンサにはゆっくり電荷がたまるはずだね

抵抗を 100kΩにして、コンデンサにかかる電圧の変化をみてみよう
コンデンサの両端に抵抗(100Ωくらいがいいよ)をつなげて
溜まった電荷を放電しておこう!
コンデンサにかかる電圧が 3V になるまで、さっきよりも時間がかかったかな?

コンデンサの容量を変えてみよう

コンデンサの容量が大きいほど、両端の電圧を 1V にするのに必要な電荷の量が多くなるよ

電流は1秒間に流れる電荷の量のことなので、コンデンサに流れる電流が同じ場合、 コンデンサの容量を大きいものに変えると、より充電に時間がかかるようになるよ

470μF のアルミ電解コンデンサに変えて、コンデンサにかかる電圧の変化をみてみよう

充電にかかる時間ってどうやって決まるの?

抵抗とコンデンサの直列回路の場合
コンデンサの端子間の電圧 vc はこうなるよ e はネイピア数で e = 2.71828... だよ
V0 = 3, R x C = 1 (例えば、R = 10kΩ、C = 100μF の場合)のときのコンデンサにかかる電圧のグラフはこうなるよ
横軸が時間、縦軸がコンデンサにかかる電圧だよ V0 = 1, R x C = 1 のときのグラフはこうなるよ 時間が R x C の3倍くらいになると、だいたい V0 の 95% くらいになるって覚えてね!

コンデンサを放電させてみよう

1回路2接点のトグルスイッチを使って、電源を通る回路と通らない回路を切り替えるようにしよう スイッチを電源を通る回路のほうにすると、上でやった回路と同じになるからコンデンサが充電されるね コンデンサが充電されたら、スイッチを切り替えて電源を通らない回路のほうにしよう

今度はコンデンサが電源になって、抵抗に電流がながれるよ
コンデンサにかかる電圧がじょじょに下がっていったかな?

電流が流れるとコンデンサに溜まっていた電荷が放電されるので、コンデンサにかかる電圧はさがっていくよ
コンデンサの電圧が下がると、抵抗にかかる電圧も下がるから回路にながれる電流が小さくなり
放電される電荷の量はだんだん少なくなるよ 放電時のコンデンサの端子間の電圧 vc はこうなるよ e はネイピア数で e = 2.71828... だよ
V0 = 3, R x C = 1 (例えば、R = 10kΩ、C = 100μF の場合)のときのコンデンサにかかる電圧のグラフはこうなるよ
横軸が時間、縦軸がコンデンサにかかる電圧だよ V0 = 1, R x C = 1 のときのグラフはこうなるよ 充電のときと上下反対の形になるよ!
時間が R x C の3倍くらいになると、だいたい V0 の 95% くらいが放電されるよ!
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