バッテリーが携帯用のエネルギー貯蔵を可能にするのと同じように、コンデンサーは一時的なエネルギー貯蔵を可能にし、多くの回路の重要なコンポーネントです。
それらは、フラッシュカメラなどのデバイスで使用するために、大量の電荷を互いに分離し、突然のエネルギーバーストで放出することを可能にします。 AC電源とDC電源間の変換や磁場の充電と放電など、他の電子プロセスを仲介します。これは、ラジオの調整に役立ちます。 ステーション。
静電容量の定義
静電容量は、電位差（電圧）の両端に電荷の分離を作成することにより、エネルギーを蓄積する非導電性材料の能力の尺度です。 材料は、ガラスやPVCパイプのように非導電性である必要があります。そうしないと、電荷が流れて分離されたままになりません。
数学的には、オブジェクトの静電容量C電荷の比率に等しいQ電圧にV.
C = \ frac {Q} {V}
静電容量のSI単位はファラド（F）; 担当の、クーロン（C）; と電圧の、ボルト（V）.電磁気学のパイオニアであるマイケルファラデーにちなんで名付けられたファラッドは、1ファラッドが1ボルトあたり1クーロン、つまり1 F = 1 C / Vに等しいと定義されています。
このように電荷を分離する回路の任意の部分は、コンデンサ. したがって、上記の式に従うと、コンデンサの任意の静電容量C電位差のあるバッテリーに接続V、電荷を蓄えますQ.
平行平板コンデンサ
一般的なタイプのコンデンサの1つは平行平板コンデンサ. このようなデバイスでは、名前が示すように、伝導材料の2つのプレート（金属など）が、ある距離にわたって互いに平行に保持されます。 プレートの間にあるのは誘電体、とも呼ばれます絶縁材.
これは、電荷が流れないようにするため、分極化する可能性があります–内部の電荷 電気の存在下で、すべてのポジティブが一方の側に、すべてのネガティブがもう一方の側に集まるように向きを変えます フィールド。
プレートとして2枚の金属箔を使用し、それらの間に挟まれた絶縁体として数枚の紙を使用して、誰でも簡単な平行プレートコンデンサを作成できます。
平行平板コンデンサの静電容量は、1つの平板の面積に依存します。A; それらの間の分離d; と誘電率κこのようにそれらの間の材料の：
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
用語ε0 （「イプシロンノート」）は
誘電率8.854×10に等しい定数である空き領域の-12 メートルあたりのファラッド（F / m）。 誘電率κは、この記事にリンクされているような、テーブルで検索できる単位のない数量です。他のタイプのコンデンサ
すべてのタイプのコンデンサが平行板を必要とするわけではありません。 同軸ケーブルのように円筒形の場合もあれば、細胞膜のように球形の場合もあります（セルから正のカリウムイオンと負の塩化物イオンをセルに送り込むことで電荷を保持することになります）。
同軸ケーブルは、ビデオ、オーディオ、および通信データの配信に広く使用されています。 その円筒形の設計は、すべてゼリーロールのように巻かれた強力な導電性シート（多くの場合銅）の間に絶縁誘電体材料のいくつかの層で構成されています。
これにより、ケーブルは長距離にわたって劣化することなく、弱い電気信号でも伝送できます。 さらに、絶縁層と導電層が巻き上げられているため、同軸ケーブルは 比較的小さなスペースでのこのエネルギー貯蔵–確かに平行平板コンデンサよりも小さな体積で できる。
RC回路
コンデンサの一般的な用途の1つは、抵抗とコンデンサが含まれていることからこのように名付けられたRC回路です。 2つの回路コンポーネントが並列に接続されており、スイッチを使用して、回路を2つの可能な単一ループ（電圧源とコンデンサ、またはコンデンサと抵抗）のいずれかに接続できると仮定します。
コンデンサが電圧源に接続されると、回路に電流が流れ、蓄積された電荷が蓄積され始めます。 スイッチを切り替えてコンデンサを抵抗に接続すると、抵抗が放電して加熱されます。
充電中のコンデンサ両端の電圧または電位差は次のとおりです。
V_ {コンデンサ} = V_ {ソース}（1-e ^ {t / RC}）
両方がVコンデンサそしてVソース電圧はボルトで、t秒単位の時間です。 時定数RCは回路の抵抗と静電容量の積であり、抵抗またはコンデンサが大きいほど、充電または放電にかかる時間が長くなることを意味します。 その単位も秒単位です。
逆のプロセス（放電時）では、式は次のようになります。
V_ {コンデンサ} = V_ {0} e ^ {-t / RC}
どこV0は、放電を開始する前のコンデンサの初期充電電圧です。
充電は蓄積して解放するのに時間がかかり、その時間はの特性に依存するためです 回路の要素であるRC回路は、正確な値を必要とする多くの電気機器で役立ちます タイミング。 一般的な例としては、フラッシュカメラ、ペースメーカー、オーディオフィルターなどがあります。
計算例
例1：2つの0.25mで作られた平行平板コンデンサの静電容量はどれくらいですか2 摂氏20度のテフロンで0.1m離れたアルミ板？
1つのプレートの面積、分離、および誘電体材料を考慮して、テフロンの誘電率を調べることから始めます。 摂氏20度では、2.1です（単位がないことを忘れないでください！）。
静電容量の解決：
例2：100 µF（10-6 ファラッド）30 Vバッテリーに接続され、10kΩ（1,000オーム）の抵抗と回路内にある場合、20 Vのコンデンサー？
静電容量と抵抗をSI単位に変換してから、RC時定数を計算することから始めます。
C = 100 µF = 0.0001 F
R =10kΩ=10,000Ω
RC = 0.0001F×10,000Ω= 1秒
次に、充電コンデンサの式を使用して時間を解きますt:
V_ {capacitor} = V_ {source}（1-e ^ {t / RC}）\ newline 20 V = 30 V（1-e ^ {t / 1}）\ newline 2/3 = 1-e ^ t \ 改行1/3 = e ^ t \ newline ln（1/3）= ln（e ^ t）\ newline1.1秒= t
コンデンサ対。 バッテリー
コンデンサとバッテリーはどちらも電荷を蓄積および放出できるため、類似しているように見える場合があります。 しかし、それらにはいくつかの重要な違いがあり、さまざまな長所と短所があります。
まず、コンデンサは充電された電界にエネルギーを蓄え、バッテリーは化学物質にエネルギーを蓄え、化学反応によって放出します。 これらの材料の違いにより、バッテリーは同じサイズのコンデンサーよりも多くのエネルギーを蓄えることができます。
ただし、そのエネルギーを放出するために必要な化学反応は、通常、コンデンサ内の電界を介した電荷の放出よりも遅くなります。 そのため、コンデンサはバッテリーよりもはるかに速く充電および放電でき、短時間でより多くの電力を供給します。 また、コンデンサは通常、バッテリーよりも耐久性が高く、環境にやさしいものになっています。
これらすべての理由から、今日のエンジニアは、コンデンサの保管制限を増やし、バッテリの充電時間と放電時間を短縮しようとしています。 それまでは、デバイスを一緒に使用することがよくあります。 たとえば、カメラのフラッシュとペースメーカーはどちらも、バッテリーとコンデンサーを使用して長持ちするエネルギーを供給しますそしてより高い電圧でクイックバーストでそれを提供します。
アプリケーション
コンデンサは、デバイスが他の方法で経験する電圧変化を平滑化または仲介するために回路でよく使用されます。 たとえば、家庭に供給されるほとんどのエネルギーは、「バンピー」電圧を提供する交流（AC）供給で供給されますが、ほとんどの家電製品は、エネルギーの直流（DC）供給を必要とします。
壁のコンデンサは、これらのデバイスの信号をACからDCに変換するのに役立ちます。 入ってくる電圧はコンデンサを充電し、それがより低い電圧に交互になり始めると、コンデンサはその蓄積されたエネルギーの一部を放電し始めます。 これにより、反対側のデバイスは、コンデンサがない場合よりも一定の電圧を継続して受けることができます。
コンデンサは、ラジオアンプやオーディオミキサーなど、特定の周波数の電子信号をフィルタリングする必要があるデバイスでも役立ちます。 たとえば、回路内のコンデンサは、サブウーファーやツイーターなど、スピーカーのさまざまな部分に低周波音と高周波音を送ることができます。 または、コンデンサを使用して周波数を分離するラジオスピーカーは、一部を増幅できますが、他の周波数を増幅することはできません。これにより、ラジオがチューニングされている目的のステーションの信号が強化されます。
集積回路のデカップリング。コンデンサの最も普及している用途の1つは、集積回路、つまり小さな回路です。 のようなほとんどの家電製品に電力を供給するために使用されるすべての電気部品を含むボード スマートフォン。 そこでは、コンデンサはシールドのようなものとして機能し、他の電子部品を突然から保護します 電圧が低下し、供給が一時的に中断されると、小さな一時的な電源として機能します。 起こります。
それらが家電製品に直流を提供するのを助ける方法と同様に、コンデンサは回路内でそれらを超えた電子機器の電圧変化を緩衝します。 それらは余分な電圧を「吸収」し、電源が低下し始めると過剰な電圧を解放します。
集積回路のデカップリングコンデンサは、特に電圧の高周波変化を除去します（コンデンサを通過する電圧変化の一部を吸収できるため）。 これにより、残りの回路コンポーネントは、正しい動作に必要なレベルで、より均一なキールの電圧を経験します。
センサーとしてのコンデンサ。コンデンサの設計は使用する材料に依存し、材料はさまざまな条件下でさまざまな導電特性を持つため、コンデンサは電子センサーの重要なコンポーネントです。
たとえば、湿度センサーは、水分レベルの変化に応じてコンダクタンスを確実に変化させるプラスチックやポリマーなどの誘電体を使用します。 したがって、その誘電体全体のコンダクタンスを読み取ることにより、センサーは相対湿度を推定します。
同様に、飛行機のセンサーを含む一部の燃料レベルセンサーは、コンデンサーを使用して、タンクに残っている燃料の量を測定します。 これらのデバイスでは、燃料自体が誘電体として機能します。 それが十分に低いレベルに低下すると、導電率が変化し、パイロットに警告が発せられます。
おそらくさらに一般的なのは、タッチスクリーンデバイスで使用される静電容量式スイッチです。 人の指が画面に触れると、少量の電荷が放出されるため、デバイスのコンダクタンスが測定可能に変化し、特定の場所に特定されます。 これは、手袋を着用するとスマートフォンのスクロールが妨げられる理由も説明しています。手袋のウールや綿は優れた断熱材であり、指の電荷が画面にジャンプするのを防ぎます。