【コンデンサに蓄えられるエネルギー】 静電容量 C [F],電気量 Q [C],電圧 V [V]のコンデンサに蓄えられているエネルギー W [J]は W= QV Q=CV の公式を使って書き換えると W= CV 2 = これらの公式は C=ε を使って表すこともできる. ■(昔,高校で習った解説) この解説は,公式をきれいに導けて,結論は正しいのですが,筆者としては子供心にしっくりこないところがありました.詳しくは右下の※を見てください. 図1のようなコンデンサで,両極板の電荷が0の状態から電荷が各々 +Q [C], −Q [C]に帯電させるまでに必要な仕事を計算する.そのために,図のように陰極板から少しずつ( ΔQ [C]ずつ)電界から受ける力に逆らって電荷を陽極板まで運ぶに要する仕事を求める. 一般に +q [C]の電荷が電界の強さ E [V/m]から受ける力は F=qE [N] コンデンサ内部における電界の強さは,極板間電圧 V [V]とコンデンサの極板間隔 d [m]で表すことができ E= である. したがって, ΔQ [C]の電荷が,そのときの電圧 V [V]から受ける力は F= ΔQ [N] この力に抗して ΔQ [C]の電荷を極板間隔 d [m]だけ運ぶに要する仕事 ΔW [J]は ΔW= ΔQ×d=VΔQ= ΔQ [N] この仕事を極板間電圧が V [V]になるまで足していけばよい. ○ 初めは両極板は帯電していないので, E=0, F=0, Q=0 ΔW= ΔQ=0 ○ 両極板の電荷が各々 +Q [C], −Q [C]に帯電しているときの仕事は,上で検討したように ΔW= ΔQ → これは,右図2の茶色の縦棒の面積に対応している. 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. ○ 最後の方になると,電荷が各々 +Q 0 [C], −Q 0 [C]となり,対応する電圧,電界も強くなる. ○ 右図の茶色の縦棒の面積の総和 W=ΣΔW が求める仕事であるが,それは図2の三角形の面積 W= Q 0 V 0 になる. 図1 図2 一般には,このような図形の面積は定積分 W= _ dQ= で求められる. 以上により, W= Q 0 V 0 = CV 0 2 = ※以上の解説について,筆者が「しっくりこない」「違和感がある」理由は2つあります. 1つ目は,両極板が帯電していない状態から電気を移動させて充電していくという解説方法で,「充電されたコンデンサにはどれだけの電気的エネルギーがあるか」という問いに答えずに「コンデンサを充電するにはどれだけの仕事が必要か」という「力学的エネルギー」の話にすり替わっています.
\(W=\cfrac{1}{2}CV^2\quad\rm[J]\) コンデンサに蓄えられるエネルギーの公式 静電容量 \(C\quad\rm[F]\) のコンデンサに電圧を加えると、コンデンサにはエネルギーが蓄えられます。 図のように、静電容量 \(C\quad\rm[F]\) のコンデンサに \(V\quad\rm[V]\) の電圧を加えたときに、コンデンサに蓄えられるエネルギー \(W\) は、次のようになります。 コンデンサに蓄えられるエネルギー \(W\quad\rm[J]\) は \(W=\cfrac{1}{2}QV\quad\rm[J]\) \(Q=CV\) の公式を代入して書き換えると \(W=\cfrac{1}{2}CV^2=\cfrac{Q^2}{2C}\quad\rm[J]\) になります。 また、電界の強さは、次のようになります。 \(E=\cfrac{V}{d}\quad\rm[V/m]\) コンデンサに蓄えられるエネルギーの公式のまとめ \(Q=CV\quad\rm[C]\) \(W=\cfrac{1}{2}QV\quad\rm[J]\) \(W=\cfrac{1}{2}CV^2=\cfrac{Q^2}{2C}\quad\rm[J]\) 以上で「コンデンサに蓄えられるエネルギー」の説明を終わります。
コンデンサを充電すると電荷 が蓄えられるというのは,高校の電気の授業で最初に習います. しかし,充電される途中で何が起こっているかについては詳しく習いません. このような充電中のできごとを 過渡現象 (かとげんしょう)と呼びます. ここでは,コンデンサーの過渡現象について考えていきます. 次のような,抵抗値 の抵抗と,静電容量 のコンデンサからなる回路を考えます. まずは回路方程式をたててみましょう.時刻 においてコンデンサーの極板にたまっている電荷量を ,電池の起電力を とします. [1] 電流と電荷量の関係は で表されるので,抵抗での電圧降下は ,コンデンサーでの電圧降下は です. キルヒホッフの法則から回路方程式は となります. [1] 電池の起電力 - 電池に電流が流れていないときの,その両端子間の電位差をいいます. では回路方程式 (1) を,初期条件 のもとに解いてみましょう. これは変数分離型の一階線形微分方程式ですので,以下のようにして解くことができます. これを積分すると, となります.ここで は積分定数です. について解くと, より, 初期条件 から,積分定数 を決めてやると, より であることがわかります. したがって,コンデンサにたまる電荷量 は となります.グラフに描くと次のようになります. また,(3)式を微分して電流 も求めておきましょう. 電流のグラフも描くと次のようになります. ところで私たちは高校の授業で,上のような回路を考えたときに電池のする仕事 は であると公式として習いました. いっぽう,コンデンサーが充電されて,電荷 がたまったときのコンデンサーがもつエネルギー ( 静電エネルギー といいました)は, であると習っています. 電池がした仕事が ,コンデンサーに蓄えられたエネルギーが . 全エネルギーは保存するはずです.あれ?残りの はどこに消えたのでしょうか? 謎解き さて,この謎を解くために,電池のする仕事について詳しく考えてみましょう. 起電力 を持つ電池は,電荷を電位差 だけ汲み上げる能力をもちます. この電池が微少時間 に電荷量 だけ電荷を汲み上げるときにする仕事 は です. (4)式の両辺を単純に積分すると という関係が得られます. したがって,電池が の電流を流すときの仕事率 は (4)式より さて,電池のした仕事がどうなったのかを,回路方程式 (1) をもとに考えてみましょう.