電気的振り子：コンデンサとインダクタのエネルギー交換

コンデンサは電場の形でエネルギーを蓄え、電気的には静電圧としてその蓄えられたエネルギーを表します。インダクタは磁場の形でエネルギーを蓄え、電気的には電子の運動エネルギーである電流として表します。

コンデンサとインダクタは、同じリアクティブコインの裏表であり、補完的なモードでエネルギーを蓄え、放出します。これら2種類のリアクティブコンポーネントが直接接続されると、エネルギーを蓄える補完的な傾向が珍しい結果を生みます。

コンデンサまたはインダクタのどちらかが帯電状態で始まると、2つのコンポーネントは互いにエネルギーをやり取りし、独自のAC電圧と電流サイクルを生成します。

両コンポーネントが電圧の突然の印加（例えば、一時的に接続されたバッテリーから）を受けると仮定すると、コンデンサは非常に速く充電され、インダクタは電流変化を妨げるため、コンデンサは帯電状態、インダクタは放電状態のままになります。

 

初期状態：

コンデンサ充電：電圧が（+）ピーク；インダクタ放電：電流ゼロ。

 

コンデンサは放電を始め、電圧が低下します。同時にインダクタは磁場の形で「充電」を蓄え始め、回路の電流が増加します。

 

コンデンサ放電：電圧減少；インダクタ充電：電流増加。

 

インダクタはまだ充電中で、コンデンサが完全に放電して電圧がゼロになるまで電流を流し続けます。

 

コンデンサ完全放電：電圧ゼロ；インダクタ完全充電：最大電流。

 

インダクタは電圧が印加されていなくても電流を維持しようとします。実際、同じ方向に電流を保つために電圧を発生させます（バッテリのように）。この電流を受け取るコンデンサは、以前とは逆極性で充電を蓄積し始めます。

 

コンデンサ充電：電圧上昇（逆極性）；インダクタ放電：電流減少。

 

インダクタがついにエネルギーを使い果たし電子が停止すると、コンデンサは開始時とは逆極性で完全な（電圧）充電状態に達します。

 

コンデンサ完全充電：電圧が（-）ピーク；インダクタ完全放電：電流ゼロ。

 

今、最初の状態と非常に似た条件にあります：コンデンサが満充電で回路に電流ゼロ。コンデンサは再びインダクタを通じて放電を始め、電流が増加（今度は逆方向）し、電圧が自身のエネルギー備蓄を消費するにつれて減少します。

 

コンデンサ放電：電圧減少；インダクタ充電：電流増加。

 

最終的にコンデンサはゼロボルトまで放電し、インダクタが最大電流で完全充電状態になります。

 

コンデンサ完全放電：電圧ゼロ；インダクタ完全充電：電流が（-）ピーク。

 

インダクタは同じ方向の電流を維持しようとして、再び電源のように振る舞い、バッテリのように電圧を発生させて電流を継続させます。これによりコンデンサが充電を始め、電流の大きさが減少します。

 

コンデンサ充電：電圧上昇；インダクタ放電：電流減少。

 

最終的にコンデンサが再び完全充電され、インダクタが電流を維持しようとして全エネルギーを使い果たします。電圧は再び正のピーク、電流はゼロになります。これでコンデンサとインダクタの間のエネルギー交換の1サイクルが完了します。

 

コンデンサ完全充電：電圧が（+）ピーク；インダクタ完全放電：電流ゼロ。

 

この振動は、回路内の杂散抵抗による電力損失により振幅が徐々に減少し、最終的に停止します。

全体として、この振る舞いは振り子に似ています：振り子のおもりが前後に振れるとき、運動エネルギー（運動）から位置エネルギー（高さ）へのエネルギー変換が起こり、コンデンサ/インダクタ回路では電流（電子の運動エネルギー）と電圧（電位エネルギー）の交互する形でエネルギーが移動するのと類似しています。

振り子の各振れの最高点では、おもりが一瞬止まり方向を変えます。この時点で位置エネルギー（高さ）が最大、運動エネルギー（運動）がゼロです。

おもりが反対側に振れ戻るとき、紐が真下を指す点を素早く通過します。ここで位置エネルギー（高さ）はゼロ、運動エネルギー（運動）が最大です。回路と同様、振り子の前後振動も空気摩擦（抵抗）によるエネルギー散逸で振幅が徐々に減衰しながら続きます。

また回路と同様、振り子の位置と速度の測定値は、時間とともに2つの正弦波（90度位相差）を描きます。

 

振り子は低い位置から高い位置へ振れる際、運動エネルギーと位置エネルギーの間でエネルギーを移動させる。

 

物理学では、機械系のこの種の自然な正弦波振動を単振動（しばしば「SHM」と略される）と呼びます。コンデンサ/インダクタ回路の振動と振り子の作用を支配する根本原理が同じであるため、効果が類似します。

振り子の興味深い性質は、その周期がおもりを吊るす紐の長さで決まり、おもりの重さには依存しないことです。だからこそ、振幅が減少しても同じ周波数で振動し続けます。振動率は、それに蓄えられたエネルギーの量に依存しません。

コンデンサ/インダクタ回路も同じです。振動率は、コンデンサとインダクタの大きさのみに厳密に依存し、波の各ピークでの電圧（または電流）の量には依存しません。

このような回路が、振動する電圧と電流の形でエネルギーを蓄える能力から、タンク回路という名前が付けられました。実際に蓄えられているエネルギーの多寡にかかわらず、単一の自然周波数を維持する特性は、電気回路設計において特別な意味を持ちます。

しかし、特定の周波数で振動、すなわち共振する傾向は、その目的のために専用設計された回路に限定されません。実際、キャパシタンスとインダクタンスの組み合わせ（一般に「LC回路」と呼ばれる）を持つほぼすべてのAC回路は、AC電源周波数がその自然周波数に近づくと異常な効果を示します。

これは回路の意図された目的に関係なく真です。

回路の電源周波数が、LとCコンポーネントによって設定される回路の自然振動周波数と正確に一致すると、回路は共振状態にあると言います。異常な効果はこの共振条件下で最大になります。

したがって、さまざまなLとCの組み合わせに対する共振周波数を予測し、共振の効果を認識できる必要があります。

 

復習：

• 直接接続されたコンデンサとインダクタはタンク回路と呼ばれるものを形成し、1つの特定の周波数で振動（または共振）する。その周波数では、エネルギーがコンデンサとインダクタの間で、互いに90度位相差のある交流電圧と電流の形で交互にやり取りされる。
• AC回路の電源周波数が、その回路のLとCコンポーネントによって設定される自然振動周波数と正確に一致すると、共振状態に達する。

関連ワークシート：

• 無線通信の基礎ワークシート
• 共振ワークシート