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極板面積、極板間隔、誘電体材料が静電容量を決める仕組み

静電容量はコンデンサの3つの核心的物理パラメータ、すなわち極板面積、極板間隔、誘電率によって決まります。これらの要因が、極板間の電圧に対してどれだけの電界フラックス(実質的に蓄積可能な電荷)が発生するかを決定します。

極板面積

他条件同一なら、極板面積が大きいほど静電容量は高く、小さいほど低くなります。大きな表面積は同じ電界強度でより多くの電荷を集められるためです。

極板面積、極板間隔、誘電体材料が静電容量を決める仕組み

極板間隔

極板を近づけると電界強度(電圧/距離)が増し、蓄積電荷と静電容量が増加します。間隔を広げると逆の効果です。

極板面積、極板間隔、誘電体材料が静電容量を決める仕組み

誘電体材料

相対誘電率(誘電定数)が高い材料は、同じ印加電圧でより多くの電界フラックスを許容します。したがって、同一形状条件下では高誘電率材料を用いたコンデンサの方が大きな静電容量を得られます。

極板面積、極板間隔、誘電体材料が静電容量を決める仕組み

相対誘電率は、その材料の誘電率を真空の誘電率で割った比です。例えばガラスの相対誘電率は7で、真空の7倍の電界フラックスを許容します(他条件同一)。

材料相対誘電率(誘電定数)
真空1.0000
空気1.0006
PTFE, FEP(テフロン)2.0
ポリプロピレン2.20〜2.28
ABS樹脂2.4〜3.2
ポリスチレン2.45〜4.0
ワックス紙2.5
トランス油2.5〜4
硬質ゴム2.5〜4.80
木材(オーク)3.3
シリコーン3.4〜4.3
ベークライト3.5〜6.0
石英(熔融)3.8
木材(メープル)4.4
ガラス4.9〜7.5
ヒマシ油5.0
木材(カバ)5.2
雲母(ムスコバイト)5.0〜8.7
ガラス結合雲母6.3〜9.3
磁器、ステアタイト6.5
アルミナ8.0〜10.0
蒸留水80.0
チタン酸バリウムストロンチウム7500

均一誘電体で隔てられた一対の導体の静電容量は、以下の式で概算できます:

極板面積、極板間隔、誘電体材料が静電容量を決める仕組み

可変コンデンサ

上記パラメータのいずれかを調整可能にすれば、静電容量を可変にできます。一般的な方法は有効極板面積を変えることです。下の画像は、櫛形金属極板と空気ギャップを用いた典型的な可変コンデンサです。軸を回転させると重なり面積が変わり、ピコファラドオーダーで静電容量が調整されます。これは無線周波数回路でよく用いられる構成です。

極板面積、極板間隔、誘電体材料が静電容量を決める仕組み

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