4. 1 導体表面の電荷分布 4. 2 コンデンサー 4. 3 コンデンサーに蓄えられるエネルギー 4. 4 静電場のエネルギー 図 4 のように絶縁体の棒を帯電させて,金属球に近づけると,クー ロン力により金属中の自由電子は移動し,その結果,電荷分布の偏りが生じる.この場合,金属 中の電場がゼロになるように,自由電子はとても早く移動する.もし,電場がゼロでない とすると,その作用により自由電子は電場をゼロにするように移動する.すなわち,電場がゼロにな るまで電子は移動し続けるのである.この電場がゼロという状態は,外部の帯電させた絶縁体が作 る電場と金属内の自由電子が作る電場をあわせてゼロということである.すなわち,金属 内の自由電子は,外部からの電場をキャンセルするように移動するのである. 内部の電場の状態は分かった.金属の表面ではどうなるか? 金属の表面での接線方向の 電場はゼロになる.もし,接線方向に電場があると,ここでも電子はそれをゼロにするよ うに移動する.従って,接線方向の電場はゼロにならなくてはならない.従って,金属の 表面では電場は法線方向のみとなる.金属から電子が飛び出さないのは,また別の力が働 くからである. 金属の表面の法線方向の電場は,積分系のガウスの法則から導くことができる.金属表面 の法線方向の電場を とする.金属内部には電場はないので,この法線方向の電場は 外側のみにある.そして,金属表面の電荷密度を とする.ここで,表面の微少面 積 を考えると,ガウスの法則は, ( 25) となる.従って, である.これが,表面電荷密度と表面の電場の関係である. コンデンサーのエネルギーが1/2CV^2である理由 静電エネルギーの計算問題をといてみよう. 図 4: 静電誘導 図 5: 表面にガウスの法則(積分形)を適用 2つの導体を近づけて,各々に導線を接続させるとコンデンサーができあがる(図 6).2つの金属に正負が反対で等量の電荷( と)を与えたとす る.このとき,両導体の間の電圧(電位差) ( 27) は 3 積分の経路によらない.これは,場所 を基準電位にしている.2つの間の空間で,こ の積分が経路によらないのは以前示したとおりである.加えて,金属表面の接線方向にも 電場が無い.従って,この積分(電圧)は経路に依存しない.諸君は,これまでの学習や実 験で電圧は経路によらないことは十分承知しているはずである. また,電荷の分布の形が変わらなければ,電圧は電荷量に比例する.重ね合わせの原理が 成り立つからである.従って,次のような量 が定義できるはずである.この は静電容量と呼ばれ,2つの導体の形状と,その間の媒 質の誘電率で決まる.
[問題5] 直流電圧 1000 [V]の電源で充電された静電容量 8 [μF]の平行平板コンデンサがある。コンデンサを電源から外した後に電荷を保持したままコンデンサの電極板間距離を最初の距離の に縮めたとき,静電容量[μF]と静電エネルギー[J]の値の組合せとして,正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。 静電容量 静電エネルギー (1) 16 4 (2) 16 2 (3) 16 8 (4) 4 4 (5) 4 2 第三種電気主任技術者試験(電験三種)平成23年度「理論」問2 平行平板コンデンサの電極板間隔とエネルギーの関係 により,電極板間隔 d が小さくなると C が大きくなる. ( C は d に反比例する.) Q が一定のとき C が大きくなると により, W が小さくなる. ( W は d に比例する.) なお, により, V も小さくなる. コンデンサとインダクタに蓄えられるエネルギー | さしあたって. ( V も d に比例する.) はじめは C=8 [μF] W= CV 2 = ×8×10 −6 ×1000 2 =4 [J] 電極板間隔を半分にすると,静電容量が2倍になり,静電エネルギーが半分になるから C=16 [μF] W=2 [J] →【答】(2)
(力学的エネルギーが電気的エネルギーに代わり,力学的+電気的エネルギーをひとまとめにしたエネルギーを考えると,エネルギー保存法則が成り立つのですが・・・) 2つ目は,コンデンサの内部は誘電体(=絶縁体)であるのに,そこに電気を通過させるに要する仕事を計算していることです.絶縁体には電気は通らないことになっていたはずだから,とても違和感がある. このような解説方法は「教える順序」に縛られて,まだ習っていない次の公式を使わないための「工夫」なのかもしれない.すなわち,次の公式を習っていれば上のような不自然な解説をしなくてもコンデンサに蓄えられるエネルギーの公式は導ける. (エネルギー:仕事)=(ニュートン)×(メートル) W=Fd (エネルギー:仕事)=(クーロン)×(ボルト) W=QV すなわち Fd=W=QV …(1) ただし(1)の公式は Q や V が一定のときに成り立ち,コンデンサの静電エネルギーの公式を求めるときのように Q や V が 0 から Q 0, V 0 まで増えていくときは が付くので,混乱しないように. (1)の公式は F=QE=Q (力は電界に比例する) という既知の公式の両辺に d を掛けると得られる. その場合において,力 F が表すものは,図1においてはコンデンサの極板間にある電荷 ΔQ に与える外力, d は極板間隔であるが,下の図3においては力 F は金属の中を電荷が通るときに金属原子の振動などから受ける抵抗に抗して押していく力, d は抵抗の長さになる. (導体の中では抵抗はない) ■(エネルギー)=(クーロン)×(ボルト)の関係を使った解説 右図3のようにコンデンサの極板に電荷が Q [C]だけ蓄えられている状態から始めて,通常の使用法の通りに抵抗を通して電気を流し,最終的に電荷が0になるまでに消費されるエネルギーを計算する.このとき,概念図も右図4のように変わる. 【電気工事士１種 過去問】直列接続のコンデンサに蓄えられるエネルギー(H23年度問1) - ふくラボ電気工事士. なお, 陽極板の電荷を Q とおく とき, Q [C]の増分(増える分量)の符号を変えたもの −ΔQ が流れた電荷となる. 変数として用いる 陽極板の電荷 Q が Q 0 から 0 まで変化するときに消費されるエネルギーを計算することになる.(注意!) ○はじめは,両極板に各々 +Q 0 [C], −Q 0 [C]の電荷が充電されているから, 電圧は V= 消費されるエネルギーは(ボルト)×(クーロン)により ΔW= (−ΔQ)=− ΔQ しつこいようですが, Q は減少します.したがって, Q の増分 ΔQ<0 となり, −ΔQ>0 であることに注意 ○ 両極板の電荷が各々 +Q [C], −Q [C]に帯電しているときに消費されるエネルギーは ΔW=− ΔQ ○ 最後には,電気がなくなり, E=0, F=0, Q=0 ΔW=− ΔQ=0 ○ 右図の茶色の縦棒の面積の総和 W=ΣΔW が求めるエネルギーであるが,それは図4の三角形の面積 W= Q 0 V 0 になる.
コンデンサの静電エネルギー 電場は電荷によって作られる. この電場内に外部から別の電荷を運んでくると, 電気力を受けて電場の方向に沿って動かされる. これより, 電荷を運ぶには一定のエネルギーが必要となることがわかる. コンデンサの片方の極板に電荷 \(q\) が存在する状況下では, 極板間に \( \frac{q}{C}\) の電位差が生じている. この電位差に逆らって微小電荷 \(dq\) をあらたに運ぶために必要な外力がする仕事は \(V(q) dq\) である. したがって, はじめ極板間の電位差が \(0\) の状態から電位差 \(V\) が生じるまでにコンデンサに蓄えられるエネルギーは \[ \begin{aligned} \int_{0}^{Q} V \ dq &= \int_{0}^{Q} \frac{q}{C}\ dq \notag \\ &= \left[ \frac{q^2}{2C} \right]_{0}^{Q} \notag \\ & = \frac{Q^2}{2C} \end{aligned} \] 極板間引力 コンデンサの極板間に電場 \(E\) が生じているとき, 一枚の極板が作る電場の大きさは \( \frac{E}{2}\) である. したがって, 極板間に生じる引力は \[ F = \frac{1}{2}QE \] 極板間引力と静電エネルギー 先ほど極板間に働く極板間引力を求めた. では, 極板間隔が変化しないように極板間引力に等しい外力 \(F\) で極板をゆっくりと引っ張ることにする. 運動方程式は \[ 0 = F – \frac{1}{2}QE \] である. ここで両辺に対して位置の積分を行うと, \[ \begin{gathered} \int_{0}^{l} \frac{1}{2} Q E \ dx = \int_{0}^{l} F \ dx \\ \left[ \frac{1}{2} QE x\right]_{0}^{l} = \left[ Fx \right]_{0}^{l} \\ \frac{1}{2}QEl = \frac{1}{2}CV^2 = Fl \end{gathered} \] となる. 最後の式を見てわかるとおり, 極板を \(l\) だけ引き離すのに外力が行った仕事 \(Fl\) は全てコンデンサの静電エネルギーとして蓄えられる ことがわかる.
コンデンサにおける電場 コンデンサを形成する極板一枚に注目する. この極板の面積は \(S\) であり, \(+Q\) の電荷を帯びているとすると, ガウスの法則より, 極板が作る電場は \[ E_{+} \cdot 2S = \frac{Q}{\epsilon_0} \] である. 電場の向きは極板から垂直に離れる方向である. もう一方の極板には \(-Q\) の電荷が存在し, その極板が作る電場の大きさは \[ E_{-} = \frac{Q}{2 S \epsilon_0} \] であり, 電場の向きは極板に対して垂直に入射する方向である. したがって, この二枚の極板に挟まれた空間の電場は \(E_{+}\) と \(E_{-}\) の和であり, \[ E = E_{+} + E_{-} = \frac{Q}{S \epsilon_0} \] と表すことができる. コンデンサにおける電位差 コンデンサの極板間に生じる電場を用いて電位差の計算を行う. コンデンサの極板間隔は十分狭く, 電場の歪みが無視できるほどであるとすると, 電場は極板間で一定とみなすことができる. したがって, \[ V = \int _{r_1}^{r_2} E \ dx = E \left( r_1 – r_2 \right) \] であり, 極板間隔 \(d\) が \( \left| r_1 – r_2\right|\) に等しいことから, コンデンサにおける電位差は \[ V = Ed \] となる. コンデンサの静電容量 上記の議論より, \[ V = \frac{Q}{S \epsilon_0}d \] これを電荷について解くと, \[ Q = \epsilon_0 \frac{S}{d} V \] である. \(S\), \(d\), \( \epsilon_0\) はそれぞれコンデンサの極板面積, 極板間隔, 及び極板間の誘電率で決まるコンデンサに特有の量である. したがって, この コンデンサに特有の量 を 静電容量 といい, 静電容量 \(C\) を次式で定義する. \[ C = \epsilon_0 \frac{S}{d} \] なお, 静電容量の単位は \( \mathrm{F}\) であるが, \( \mathrm{F}\) という単位は通常使われるコンデンサにとって大きな量なので, \( \mathrm{\mu F}\) などが多用される.
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