この記事の対象になる方
- コンデンサとは何かを基礎から知りたい方
- 交流回路でコンデンサの意味が分からなくなった方
- 生技、保全、設備設計で電気の基礎を学びたい方
はじめに
コンデンサは、電気を勉強し始めると必ずと言っていいほど出てくる部品です。
ただ、コイルのように見た目で役割が想像しやすいわけでもなく、抵抗のように熱を発生させる部品でもありません。
そのため、名前は知っていても、結局何をしている部品なのかが曖昧なままになりやすいです。
交流回路の勉強をしていると、さらにここで混乱しやすくなります。
それが、
- コンデンサでは電流が先
- コンデンサでは電流が電圧より進む
という話です。
「あっ、電気難しい。やめよ」ってなるポイントですよね！
最初にこれを聞くと、いろいろ引っかかります。
まず、電圧がかかってから電流が流れるのではないのか、と思いたくなるからです。
でも、コンデンサの本質を順番に追っていくと、この関係は意外と自然に見えてきます。
基本はこれです。
コンデンサは、電荷をためることで電圧を持つ部品です。
今回は、コンデンサとは何か、そしてなぜコンデンサでは電流が電圧より先に進むのかを、できるだけやさしく整理していきます。
コンデンサとは何か
コンデンサとは、電気をためる部品です。
より正確に言うと、電荷をためることで電圧を持つ部品です。
構造としては、向かい合った金属板の間に絶縁物が入っているイメージです。
この両側に電荷が分かれてたまることで、極板の間に電位差、つまり電圧が生まれます。
つまりコンデンサは、
- 電気をためるもの
- 電荷をためるもの
- ためた電荷によって電圧を作るもの
ということです。
ここで大事なのは、コンデンサは最初から電圧を持っているわけではない、ということです。
まず電荷がたまり、その結果として電圧ができます。
コンデンサは、電圧を作るためにまず電荷をためる部品です。
コンデンサ内部としては、
- 電荷が移動する
- 極板に電荷がたまる
- その結果として電圧ができる
という流れになります。
抵抗のように、電圧をかけたらそのまま流れ方が決まる部品とは少し見え方が違います。
コンデンサは、電荷のたまり方そのものが電圧と深くつながっています。
この流れが、あとで出てくるなぜコンデンサでは電流が先なのかにつながります。
なぜコンデンサでは電流が先なのか
ここが、この記事を書いた理由と言っても過言ではありません。
コンデンサは、電圧を持つために電荷をためる必要があります。
そして、電荷を増やしたり減らしたりするには電流が必要です。
つまり、
電圧を変えるには、先に電流で電荷を動かす必要がある
ということです。
この関係は式で表すと、まず次のようになります。
これは、コンデンサにたまる電荷 Q は、静電容量 C と電圧 V に比例する、という意味です。
さらに、電流は電荷が変化する速さなので、
と表せます。
この2つをつなげると、
となります。
この式が言っているのは、
コンデンサでは、電流は電圧そのものではなく、電圧の変化の速さで決まる
ということです。
抵抗のように、今この瞬間の電圧に対してそのまま電流が決まるのではありません。
コンデンサでは、電圧を変えようとすると、その変化に応じて電流が流れます。
そのため、見え方としては
- 先に電流が流れる
- その結果として電荷が増減する
- よって電圧が変わる
となります。
これが、交流回路でよく出てくる
コンデンサでは電流が先、電圧が後
という話の本体です。
ちなみに、こういった話のときによく出てくる
は、
「時間tに対してどれくらい変化するか」という意味です。
ここは混乱しやすい部分なので、少し説明を加えました。
電流は電荷の増え方とはどういう意味か
ここで、電流の意味も整理しておきましょう。
電流とは、電荷そのものではありません。
電流は、電荷がどれだけの速さで増えたり減ったりするかを表す量です。
たとえばコンデンサの極板に電荷がゆっくりたまるなら、小さい電流です。
逆に、短時間で一気に電荷がたまるなら、大きい電流です。
つまり、
- 電荷 ＝ たまっている量
- 電流 ＝ その量の変わる速さ
です。
コンデンサでは、電圧を変えるために極板の電荷を増減させる必要があります。
そのため、電圧変化の裏側には、必ず電流の出入りがあります。
この順番があるので、コンデンサでは電流が先に見えるのです。
- 電流によって電荷をためる
- 電荷によって電圧が生まれる
この順です。
交流をかけると何が起こるのか
では、コンデンサに交流をかけるとどうなるでしょうか。
交流では、電圧の向きと大きさが時間とともに変わります。
すると、コンデンサの極板にたまる電荷の正負も交互に入れ替わります。
つまり交流のコンデンサは、
- プラス向きに充電
- 放電
- 逆向きに充電
- 放電
を繰り返しています。
ここで大事なのは、
交流でもコンデンサはちゃんと帯電している
ということです。
ただし、直流のように一方向にためっぱなしではありません。
正負を入れ替えながら、充電と放電を繰り返しているのです。
このとき、電圧を変えるためには毎回電荷を動かす必要があるので、そのたびに電流が流れます。
電流が進む理由を計算式で確認してみよう
コイルとの違い
ここでコイルと比べると、頭の中がかなり整理されます。
コイルは、電流を流すと磁界を作る部品です。
そして電流の変化に逆らうので、交流では電圧が先、電流が後になります。
一方、コンデンサは、電荷をためて電圧を持つ部品です。
そして電圧を変えるために先に電流が必要なので、交流では電流が先、電圧が後になります。
整理するとこうです。
コイル
- 磁界を作る
- 電流の変化に逆らう
- 電圧が先、電流が後
コンデンサ
- 電荷をためる
- 電圧を変えるために先に電流が必要
- 電流が先、電圧が後
コイルとコンデンサは、どちらも位相差を作りますが、進む側と遅れる側が逆です。
コイルの解説記事はこちらをご覧ください↓
まとめ
コンデンサとは、電気をためる部品であり、より正確には電荷をためることで電圧を持つ部品です。
コンデンサでは、
つまり電荷が上がれば電圧も上がるという意味。
さらに
なので、電圧を変える＝電荷を動かすには電流が必要という意味。
その結果、
- 先に電流が流れる
- その結果として電荷が増減する
- そのあと電圧が変わる
という順番になります。
だから交流では、
コンデンサでは電流が電圧より進む
という関係になるわけです。
本記事は学習目的の情報提供です。実際の電気工事・設計・配線・機器選定・部材選定・改造は、法令・社内基準に従い、有資格者および責任者の管理下で実施してください。現場条件により最適解は変わるため、必ずメーカー仕様書・設計基準・安全規程・JISを確認のうえ判断してください。
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