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コンデンサーmd b44f330
lecture/physics/electromagnetism/capacitors.lecture.n.md
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コンデンサー

date2026-07-14document_iddoc_86caf0166c527f00a065728546bfa311descriptionコンデンサーを電荷と電位差の比例関係として定義し、平行板コンデンサーの容量、蓄えられるエネルギー、合成容量を証明する講義である。prerequisites電場と電位 / ガウスの法則の基本 / 単位・次元type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/electromagnetism/electric-fields-and-potential.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/capacitors-and-dielectrics.lecture.n.md
physicselectromagnetismcapacitorlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、コンデンサーを「電荷でんかを蓄たくわえる箱はこ」ではなく、電場でんばとエネルギーを蓄たくわえる装置そうちとして解説かいせつする。

2 枚まいの導体板どうたいばんに正負せいふの電荷でんかを分わけて置おくと、板いたの間あいだに電場でんばができる。この電場でんばを作つくるには仕事しごとが必要ひつようであり、その仕事しごとがコンデンサーのエネルギーとして蓄たくわえられる。

2用語ようごと定義ていぎ

コンデンサーcapacitorとは、2 つの導体どうたいに正負せいふの電荷でんかを蓄たくわえ、電位差でんいさを保たもつ装置そうちである。

電気容量でんきようりょうcapacitance C とは、蓄たくわえた電荷でんかの大おおきさ Q と電位差でんいさ V の比ひである。

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

3方針ほうしん

コンデンサーでは、電荷でんか、電位差でんいさ、電場でんばを結むすぶ。

  1. 電荷でんかから面電荷密度めんでんかみつど σ=Q/S を出だす。
  2. ガウスの法則ほうそくで電場でんば E を出だす。
  3. 一様電場いちようでんばなら V=Ed を使つかう。
  4. C=Q/V に代入だいにゅうする。

4関係式かんけいしき 1:平行板へいこうばんコンデンサーの電気容量でんきようりょう

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 の真空中しんくうちゅうの平行板へいこうばんコンデンサーでは、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]C=ε0Sd

である。

4.1証明しょうめい

極板きょくばんに電荷でんか +Q と -Q を蓄たくわえる。面電荷密度めんでんかみつどは

σ=QS

である。ガウスの法則ほうそくより、十分じゅうぶん広ひろい平行板へいこうばんの間あいだの電場でんばは

E=σε0=Qε0S

である。一様電場いちようでんばでは

V=Ed

なので、

V=Qdε0S

である。電気容量でんきようりょうの定義ていぎ C=Q/V より、

C=QQd/(ε0S)=ε0Sd

を得える。

5関係式かんけいしき 2:コンデンサーに蓄たくわえられるエネルギー

電気容量でんきようりょう C、電位差でんいさ V、電荷でんか Q のコンデンサーに蓄たくわえられるエネルギーは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]U=12QV=12CV2=Q22C

である。

5.1証明しょうめい

電荷でんかを 0 から Q まで少すこしずつ運はこんでコンデンサーを充電じゅうでんする。途中とちゅうでコンデンサーに電荷でんか q が蓄たくわえられているとき、電位差でんいさは

V(q)=qC

である。微小電荷びしょうでんか dq を運はこぶのに必要ひつような仕事しごとは

dW=V(q)dq=qCdq

である。したがって全仕事ぜんしごとは

U=∫0QqCdq=Q22C

である。Q=CV を使つかうと、

U=12QV=12CV2

も得える。

6関係式かんけいしき 3:コンデンサーの合成容量ごうせいようりょう

並列接続へいれつせつぞくでは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]C=C1+C2+⋯

であり、直列接続ちょくれつせつぞくでは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]1C=1C1+1C2+⋯

である。

6.1証明しょうめい

並列接続へいれつせつぞくでは、すべてのコンデンサーに同おなじ電位差でんいさ V がかかる。全電荷ぜんでんかは

Q=Q1+Q2+⋯=C1V+C2V+⋯

である。したがって

Q=(C1+C2+⋯)V

なので、合成容量ごうせいようりょうは C=C1+C2+⋯ である。

直列接続ちょくれつせつぞくでは、各かくコンデンサーに蓄たくわえられる電荷でんかの大おおきさは同おなじ Q である。全電位差ぜんでんいさは

V=V1+V2+⋯=QC1+QC2+⋯

である。したがって

V=Q(1C1+1C2+⋯)

である。V=Q/C と比くらべて

1C=1C1+1C2+⋯

を得える。

7単位たんいの確認かくにん

電気容量でんきようりょうの単位たんいは

C=QV:[C;IT][V;ML2I-1T-3]=[F;M-1L-2I2T4]

である。

8見分みわけ方かた

  • 平行板へいこうばんなら C=ε0S/d。
  • エネルギーなら U=12CV2。
  • 並列へいれつなら容量ようりょうは足たす。
  • 直列ちょくれつなら逆数ぎゃくすうを足たす。

9どこまで成立せいりつするか

C=ε0S/d は、極板きょくばんが十分じゅうぶん広ひろく、端はしの電場でんばの乱みだれを無視むしできる近似きんじである。間あいだに誘電体ゆうでんたいが入はいると、電気容量でんきようりょうは変かわる。

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]C=QV
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]C=ε0Sd
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]U=12CV2

11一言ひとこと

コンデンサーは、電荷でんかだけでなく電場でんばとエネルギーを蓄たくわえる。

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