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コンデンサーと誘電体md 4e160ae
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コンデンサーと誘電体ゆうでんたい

date2026-07-14document_iddoc_5d41911561020636774acc261b302e17description誘電体がコンデンサーの電場・電位差・容量・エネルギーをどう変えるかを、電荷固定と電圧固定を分けて証明する講義である。prerequisitesコンデンサー / 電場と電位type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/electromagnetism/capacitors.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/gauss-law-basics.lecture.n.md
physicselectromagnetismdielectriccapacitorlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、誘電体ゆうでんたいを入いれると「電荷でんかを固定こていするか」「電圧でんあつを固定こていするか」で変かわる量りょうが違ちがうという性質せいしつを説明せつめいする。

誘電体ゆうでんたいを入いれると、内部ないぶの分極ぶんきょくによって電場でんばが弱よわまる。そのため、同おなじ電荷でんかなら電位差でんいさは小ちいさくなる。一方いっぽう、電池でんちにつないで電位差でんいさを固定こていすると、より多おおくの電荷でんかが蓄たくわえられる。

2用語ようごと定義ていぎ

誘電体ゆうでんたいdielectricとは、電場でんばの中なかで分極ぶんきょくし、電場でんばを弱よわめる絶縁体ぜつえんたいである。

比誘電率ひゆうでんりつrelative permittivity εr とは、真空しんくうに比くらべて電気容量でんきようりょうがどれだけ大おおきくなるかを表あらわす無次元むじげんの量りょうである。

ε=εrε0

3整理せいり 1:誘電体ゆうでんたいを満みたした平行板へいこうばんコンデンサー

極板面積きょくばんめんせき S、極板間隔きょくばんかんかく d の平行板へいこうばんコンデンサーの間あいだを、比誘電率ひゆうでんりつ εr の誘電体ゆうでんたいで満みたすと、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]C=εrε0Sd

である。

3.1証明しょうめい

誘電体ゆうでんたいの中なかでは、誘電率ゆうでんりつが

ε=εrε0

となる。平行板へいこうばんの間あいだの電場でんばは

E=σε=QεS

である。電位差でんいさは

V=Ed=QdεS

である。したがって

C=QV=εSd=εrε0Sd

を得える。

4帰結きけつ 2:電荷固定でんかこていでは V と U が小ちいさくなる

電池でんちから切きり離はなしたコンデンサーに誘電体ゆうでんたいを入いれる。電荷でんか Q が一定いっていなら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]V′=Vεr

かつ

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]U′=Uεr

である。

4.1証明しょうめい

誘電体ゆうでんたいを入いれる前まえの容量ようりょうを C とすると、入いれた後あとの容量ようりょうは

C′=εrC

である。電荷でんか Q は一定いっていなので、

V′=QC′=QεrC=Vεr

である。またエネルギーは

U=Q22C

であり、誘電体ゆうでんたいを入いれた後あとは

U′=Q22C′=Q22εrC=Uεr

である。

5関係式かんけいしき 3:電圧固定でんあつこていでは Q と U が大おおきくなる

電池でんちにつないだままコンデンサーに誘電体ゆうでんたいを入いれる。電位差でんいさ V が一定いっていなら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Q′=εrQ

かつ

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]U′=εrU

である。

5.1証明しょうめい

電位差でんいさ V は電池でんちによって一定いっていである。容量ようりょうは

C′=εrC

になるので、

Q′=C′V=εrCV=εrQ

である。また

U=12CV2

であり、誘電体ゆうでんたいを入いれた後あとは

U′=12C′V2=12εrCV2=εrU

である。この増加分ぞうかぶんは、電池でんちが追加ついかの電荷でんかを運はこぶ仕事しごとに由来ゆらいする。

6見分みわけ方かた

  • 電池でんちから外はずしたなら Q 一定いってい。
  • 電池でんちにつないだままなら V 一定いってい。
  • 誘電体ゆうでんたいを満みたすと C は εr 倍ばい。

7どこまで成立せいりつするか

ここでは誘電体ゆうでんたいが一様いちように入はいり、漏もれ電流でんりゅうや端効果はしこうかを無視むしした。実際じっさいの誘電体ゆうでんたいには絶縁破壊ぜつえんはかいの限界げんかいがあり、電場でんばを強つよくしすぎると電流でんりゅうが流ながれる。

8最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]C′=εrC
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Q一定ならV′=Vεr,U′=Uεr
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]V一定ならQ′=εrQ,U′=εrU

9一言ひとこと

誘電体ゆうでんたいは容量ようりょうを大おおきくする。ただし、何なにが一定いっていかで電荷でんか、電圧でんあつ、エネルギーの変化へんかは変かわる。

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