コンデンサの充放電：RC回路のハンズオン実験

コンデンサ充放電実験に必要な材料

実験には以下のアイテムを用意してください：

• 6V電池
• 電解コンデンサ 2個、1000µF以上（例：Radio Shack #272-1019、272-1032、または同等品）
• 1kΩ抵抗 2本
• 単極単投（SPST）トグルスイッチ 1個（家庭用照明スイッチで可）

大きな容量値は、ボルテメータとストップウォッチで精密測定できるほど長い時定数を得るために不可欠です。

これらの容量値のコンデンサはほとんどが電解タイプで、極性に敏感です。負極は通常、それに向かう線または複数の線でマークされ；正極には+マークがあることがあります。逆接続すると6Vでもほぼ確実に破壊されます。破損した電解コンデンサは爆発し、腐食性化学物質を飛散させ、悪臭を放ちます。注意してください。

安全上の注意：極性マークが不明な場合は、データシートまたは資格ある指導者に相談してください。

関連リソース

• 『Lessons In Electric Circuits』第1巻 第13章：「Capacitors（コンデンサ）」
• 『Lessons In Electric Circuits』第1巻 第16章：「RC and L/R Time Constants（RCおよびL/R時定数）」

学習目標

このラボを完了すると、以下ができるようになります：

• RC回路におけるコンデンサの充電挙動を説明する
• 放電挙動を説明する
• 時定数 τ = RC を計算する
• 直列および並列接続が総静電容量をどう変えるかを説明する

充放電回路図

実験セットアップ

手順

充電中の電圧測定

充電回路を組み立てスイッチをオンにします。電圧計を使ってコンデンサ両端の電圧を経時的に記録します。急激なジャンプではなく、緩やかな指数関数的上昇が観察されます。

コンデンサを0Vにリセットするには、ワイヤーで端子を短絡させます。

RC回路の時定数τは、抵抗と静電容量の積に等しいです。1kΩ抵抗と1000µFコンデンサの場合、τ = 1秒です。これはコンデンサ電圧が電池電圧の約63.2%に達するのに必要な時間です。

電圧対時間をグラフ用紙にプロットすると、特徴的な逆指数曲線が現れます。1秒の時定数では分解能が限られるため、意図的に回路を遅くします。

時定数の変更

以下を調整してτを増やします：

• 総抵抗（例：抵抗を直列に追加）
• 総静電容量（例：コンデンサを直列または並列接続）

2本の抵抗と2個のコンデンサの様々な直列・並列組み合わせを試し、最も緩やかな充電カーブを生む構成を見つけてください。

コンデンサ接続時は、負極リードが電池の負極側を向くようにしてください。

放電回路も同様に振る舞いますが、スイッチを開くと電圧が電池レベルから緩やかに減衰します。様々な抵抗とコンデンサの配置で実験を繰り返し、常に極性を尊重してください。

コンピュータシミュレーション

ノード番号付きSPICE回路図：

ネットリスト（以下をプレーンテキストファイルrc.cirにコピー）：

 Capacitor charging circuit
v1 1 0 dc 6
r1 1 2 1k
c1 2 0 1000u
.ic 0
.tran 0.1 5
.uic
.plot tran v(2,0)
.end 

ワークシート

• Time Constant Calculations Worksheet
• Capacitors Worksheet