電界と静電容量

はじめに

分離された2つの導体間に電圧が存在する場合は常に、それらの導体間の空間内に電界が存在します。基本的な電子機器では、電圧、電流、抵抗が回路に関係する相互作用を研究します。回路は、電子が移動する可能性のある導電経路です。ただし、フィールドについて話すときは、空きスペース全体に広がる可能性のある相互作用を扱っています。

確かに、「フィールド」の概念はやや抽象的なものです。少なくとも電流では、電子と呼ばれる小さな粒子が導体内の原子核間を移動することを想像するのはそれほど難しくありませんが、「フィールド」には質量すらなく、物質内に存在する必要はまったくありません。 。

その抽象的な性質にもかかわらず、私たちのほとんどすべてが、少なくとも磁石の形で、フィールドを直接経験しています。磁石のペアで遊んだことがありますか？それらが相対的な向きに応じてどのように互いに引き付け合うか、反発するかに気づきましたか？一対の磁石の間には否定できない力があり、この力には「物質」がありません。質量も色も臭いもなく、磁石自体にかかる物理的な力がなければ、私たちの体にはまったく無感覚です。物理学者は、磁場の観点から磁石の相互作用を説明します それらの間のスペースで。鉄のやすりが磁石の近くに置かれると、それらは磁場の線に沿って向きを変え、その存在を視覚的に示します。

電界

この章の主題は、磁場ではなく、電場（およびそれらを利用するコンデンサと呼ばれるデバイス）ですが、多くの類似点があります。ほとんどの場合、電界も経験したことがあります。この本の第1章は、静電気の説明から始まり、ワックスやウールなどの材料が互いにこすり合わされたときに、どのように肉体的な魅力を生み出したかについて説明しました。繰り返しますが、物理学者は、電子の不均衡の結果として2つのオブジェクトによって生成される電界の観点からこの相互作用を説明します。 2点の間に電圧が存在するときはいつでも、それらの点の間の空間に電界が現れると言えば十分です。

フィールドフォースとフィールドフラックス

フィールドには2つのメジャーがあります。フィールド force およびフィールド flux 。 フィールド 力 は、フィールドが特定の距離にわたって及ぼす「プッシュ」の量です 。 フィールド フラックス は、空間を通過するフィールドの総量または効果です 。界磁力と磁束は、それぞれ導体を通る電圧（「プッシュ」）と電流（流れ）にほぼ類似していますが、界磁磁束は（電子などの粒子の動きなしで）完全に空の空間に存在できますが、電流は発生するだけです。移動する自由電子がある場所。電子の流れが抵抗によって対抗できるのと同じように、フィールドフラックスは空間内で対抗することができます。宇宙で発生する場の磁束の量は、加えられた場の力の量を磁束に対する反対の量で割ったものに比例します。導電性材料のタイプが電流に対する導体の特定の抵抗を決定するのと同じように、2つの導体を分離する絶縁材料のタイプが電界磁束に対する特定の反対を決定します。

通常、同量の電子が出る経路がない限り、電子は導体に入ることができません（チューブ内の大理石の例えを覚えていますか？）。このため、連続電流を発生させるには、導体を円形のパス（回路）に接続する必要があります。しかし、奇妙なことに、別の導体に対して電界が空間に発生することが許されている場合、余分な電子が出口への経路なしに導体に「押し込まれる」可能性があります。導体に追加された（または除去された）余分な自由電子の数は、2つの導体間の電界磁束の量に正比例します。

コンデンサの電界

コンデンサ は、2枚の導電性プレート（通常は金属）を互いに近接して配置することにより、この現象を利用するように設計されたコンポーネントです。コンデンサの構造にはさまざまなスタイルがあり、それぞれが特定の定格と目的に適しています。非常に小さいコンデンサの場合、絶縁材料を挟んだ2枚の円形プレートで十分です。より大きなコンデンサ値の場合、「プレート」は金属箔のストリップであり、柔軟な絶縁媒体の周りに挟まれ、コンパクトにするために巻き上げられます。最高の静電容量値は、2つの導電性表面を分離する絶縁酸化物の微視的な厚さの層を使用することによって得られます。ただし、いずれの場合も、一般的な考え方は同じです。つまり、絶縁体で分離された2本の導体です。

コンデンサの回路図記号は非常に単純で、ギャップで区切られた2本の短い平行線（プレートを表す）にすぎません。他のコンポーネントに接続するために、ワイヤがそれぞれのプレートに接続されます。コンデンサの古い、廃止された回路図記号は、インターリーブプレートを示していました。これは、実際には、ほとんどのコンデンサの実際の構造を表すより正確な方法です。

コンデンサの2つのプレートに電圧が印加されると、それらの間に集中電界磁束が生成され、2つのプレート間で自由電子（電荷）の大きな違いが発生します。

電界は印加電圧によって確立されるため、余分な自由電子が負の導体に強制的に集められ、自由電子は正の導体から「奪われ」ます。この差動電荷は、コンデンサ内のエネルギーの蓄積に相当し、2つのプレート間の電子の潜在的な電荷を表します。コンデンサの対向するプレート上の電子の差が大きいほど、界磁磁束が大きくなり、コンデンサが蓄積するエネルギーの「電荷」が大きくなります。

コンデンサは蓄積された電子の位置エネルギーを電界の形で蓄積するため、回路内の抵抗器（単に熱の形でエネルギーを放散する）とはまったく異なる動作をします。コンデンサのエネルギー貯蔵は、プレート間の電圧、およびこの章の後半で説明する他の要因の関数です。電圧（2つのリード間の電位差）の関数としてエネルギーを蓄積するコンデンサの能力は、電圧を一定レベルに維持しようとする傾向をもたらします。言い換えれば、コンデンサは変更に抵抗する傾向があります 電圧で。コンデンサの両端の電圧が増加または減少すると、コンデンサは、変化に対抗して、電圧変化のソースから電流を引き出すか、電流を供給することによって変化に「抵抗」します。

より多くのエネルギーをコンデンサに蓄えるには、コンデンサの両端の電圧を上げる必要があります。これは、より多くの電子を（-）プレートに追加し、（+）プレートからより多く取り除く必要があることを意味し、その方向に電流を流す必要があります。逆に、コンデンサからエネルギーを放出するには、コンデンサの両端の電圧を下げる必要があります。これは、（-）プレート上の過剰な電子の一部を（+）プレートに戻す必要があり、反対方向に電流を流す必要があることを意味します。

アイザックニュートンの運動の第1法則（「運動中の物体は運動を続ける傾向がある、静止している物体は静止している傾向がある」）が速度の変化に対抗する質量の傾向を説明しているように、コンデンサの傾向を述べることができます。電圧の変化に反対します。「充電されたコンデンサは充電されたままになる傾向があります。放電したコンデンサは放電したままになる傾向があります。」仮に、そのままにしておいたコンデンサは、そのままにしておいた電圧電荷の状態を無期限に維持します。完全なコンデンサによって蓄積された電圧電荷を変更できるのは、外部の電流源（またはドレイン）だけです。

ただし、実際には、コンデンサは、電子が1つのプレートから別のプレートに流れるための内部リークパスのために、最終的には蓄積された電圧電荷を失います。コンデンサの特定のタイプによっては、蓄積された電圧電荷が自己消散するのにかかる時間が長くなる場合があります。 時間（コンデンサを棚に置いて数年！）

コンデンサの両端の電圧が上昇すると、回路の残りの部分から電流が流れ、電力負荷として機能します。この状態では、コンデンサは充電中であると言われます。 、その電界に蓄積されるエネルギーの量が増加しているためです。電圧極性に関する電子電流の方向に注意してください：

逆に、コンデンサの両端の電圧が低下すると、コンデンサは回路の残りの部分に電流を供給し、電源として機能します。この状態では、コンデンサは放電中であると言われます。 。エネルギーが回路の残りの部分に放出されるにつれて、電界に保持されているそのエネルギーの蓄積は現在減少しています。電圧極性に関する電流の方向に注意してください：

充電されていないコンデンサに電圧源が突然印加された場合（電圧の突然の増加）、コンデンサの電圧が電源の電圧と等しくなるまで、コンデンサはその電源から電流を引き出し、そこからエネルギーを吸収します。コンデンサの電圧がこの最終的な（充電された）状態に達すると、その電流はゼロに減衰します。逆に、負荷抵抗が充電されたコンデンサに接続されている場合、コンデンサは、蓄積されたエネルギーをすべて解放し、電圧がゼロに減衰するまで、負荷に電流を供給します。コンデンサの電圧がこの最終（放電）状態に達すると、その電流はゼロに減衰します。コンデンサは、充電と放電ができるという点で、二次電池のように機能していると考えることができます。

前に述べたように、プレート間の絶縁材料の選択は、プレートに印加された任意の量の電圧で発生する電界磁束の量（したがって電荷の量）に大きな影響を与えます。フィールドフラックスに影響を与えるこの絶縁材料の役割のため、特別な名前があります：誘電体 。すべての誘電体材料が同じというわけではありません。材料が電界フラックスの形成を抑制または促進する程度は、誘電率と呼ばれます。 誘電体の。

所定の電圧降下量に対してエネルギーを蓄積するコンデンサの能力の尺度は、静電容量と呼ばれます。 。当然のことながら、静電容量は、電圧の変化に対する反対の強さの尺度でもあります（電圧の特定の変化率に対して正確にどれだけの電流が生成されるか）。静電容量は、大文字の「C」で象徴的に表され、「F」と略されるファラッドの単位で測定されます。

慣例では、奇妙な理由で、大きな静電容量の測定でメートル法の接頭辞「マイクロ」が支持されており、非常に多くのコンデンサが、紛らわしいほど大きなマイクロファラッド値で評価されています。たとえば、私が見た1つの大きなコンデンサは33万マイクロファラッドと評価されました。 ！！ 330ミリファラッドと言ってみませんか？わからない。

コンデンサの廃止された名前

コンデンサの廃止された名前は コンデンサです。 または コンデンサー 。 これらの用語は、（私の知る限り）新しい本や概略図では使用されていませんが、古い電子文学で使用されている可能性があります。おそらく、「コンデンサー」という用語の最もよく知られている使用法は、自動車工学であり、その名前で呼ばれる小さなコンデンサーを使用して、電気機械式点火システムのスイッチ接点（「ポイント」と呼ばれる）間の過度の火花を軽減しました。

>

レビュー：

• コンデンサは、電圧の変化に対抗するために必要な方向に電流を供給または引き込むことにより、電圧の変化に反応します。
• コンデンサが電圧の上昇に直面すると、負荷として機能します。 ：エネルギーを蓄えるときに電流を引き込みます（抵抗器のように、正の側と負の側に流れる電流）。
• コンデンサが電圧の低下に直面すると、コンデンサはソースとして機能します。 ：蓄積されたエネルギーを放出するときに電流を供給します（バッテリーのように、正側と負側に電流が流れます）。
• コンデンサが電界の形でエネルギーを蓄積する（したがって、電圧の変化に対抗する）能力は、静電容量と呼ばれます。 。 ファラッドの単位で測定されます （F）。
• コンデンサは、別の用語で一般的に知られていました：コンデンサー （または「コンデンサー」と綴る）。