ACコンデンサ回路：容量リアクタンス、位相シフト、電力挙動
コンデンサと抵抗器の違い
抵抗器が電圧降下に比例した電流を許容するのに対し、コンデンサは電圧の変化を妨げます。電圧レベルの変化に合わせて充放電する際、電流を吸収または供給します。
コンデンサを「流れる」電流は、その両端の電圧の変化率に直接比例します。この効果はリアクタンスとして知られ、インダクタで観察される誘導リアクタンスとは逆の挙動です。
コンデンサ回路の特性
電流と電圧変化の関係は数学的に以下のように表現されます：
ここで、de/dt（またはdv/dt）は瞬時電圧の変化率（ボルト/秒）、Cは静電容量（ファラド）、iは電流（アンペア）です。
これらの概念を説明するため、単純なACのみの回路を考えます：
純容量回路では、コンデンサ電圧は電流に90°遅れる。
電圧と電流をプロットすると90°の位相差が明らかになります：
純容量回路における波形。
瞬時電流は電圧がピークに達したとき（変化なし）にゼロになり、電圧の傾きが最も急なゼロクロッシングで最大になります。結果として、電流は電圧に90°先行し、電圧は電流に遅れます。
純容量回路では電圧が電流に90°遅れる。
電力関係はインダクタと同様です：瞬時電力は正と負の間で振動します。コンデンサは電力を消費せず、単に回路とエネルギーをやり取りします。
純容量回路では瞬時電力が正と負を交互にとる。
容量リアクタンス
コンデンサは電圧変化を妨げ、これがAC電圧に対するリアクタンスとなります。この量はオームで測定され、XCで表されます。電流は電圧変化率に比例するため、コンデンサは高周波ではより多くの電流を流し、低周波では少なく流します。
したがって、容量リアクタンスは周波数に反比例します：
100µFコンデンサのリアクタンス
| 周波数 (Hz) | リアクタンス (Ω) |
|---|---|
| 60 | 26.5258 |
| 120 | 13.2629 |
| 2500 | 0.6366 |
誘導リアクタンスが周波数とともに増加するのとは異なり、容量リアクタンスは減少します。式は XC = 1/(2πfC) = 1/(ωC) と書けます。ここでωはラジアン/秒単位の角周波数です。
単純な直列回路では、AC電流は印加電圧を容量リアクタンスで割った値に等しく、抵抗器に対するオームの法則と同様です：
電圧と電流が位相差を持つため、容量リアクタンスの位相角は–90°です。この負の虚数成分は、抵抗とリアクタンスを組み合わせた複雑なACネットワークの解析に不可欠です。
コンデンサでは電圧が電流に90°遅れる。
重要なポイント
- 容量リアクタンス（XC）はACを妨げ、オームで測定される。
- XC = 1/(2πfC) で計算され、周波数上昇とともに減少する。
- 電流が電圧に90°先行し、リアクティブ成分の位相角は–90°となる。
- コンデンサはエネルギーを蓄えて放出するが、電力を消費しない。
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