容量性回路の電流と電圧はどのようにずれていますか？

容量性回路では、電圧と電流の位相がずれていると言います。電流は電圧より90（度）進んでいます。この効果の物理的な説明は何ですか？電圧がゼロの場合、つまり電圧の位相角が0で電流の位相角が90の場合、電流はどのように容量性回路を流れることができますか？

これがどのように真実であるかを直感的に理解したい場合は、最初にインダクタを検討してみましょう。これにより、物理的な類似性が向上します。誘導性負荷のあるAC回路では、電圧によって電流が90度進みます。容量性負荷の反対です。

どうして？まあ、インダクターは電流に慣性を与えるフライホイールのようなものです。電圧の正式名称は起電力です。つまり、電気を動かす力です。電気が動くとき、それを電流と呼びます。

フライホイールを想像してみてください。フライホイールの角慣性（サイズと重量）は、インダクタの値です。電圧は、フライホイールに加える力です。現在は、フライホイールが回転している速度です。このフライホイールに力を加えたとしましょう。すぐに回転し始めません。むしろ、あなたが加える力はそれを加速します。ここで、反対方向に力を加えます。すぐに方向が逆になることはありません。最初にそれは遅くなる必要があり、最終的には反対方向に曲がります。しかし、それが完了するまでに、あなたは前進し、力の方向を再び変えました。

適用する力が正弦波で、フライホイールの回転に摩擦（抵抗）がない場合、フライホイールの速度は、それに加えられている力と90度位相がずれます。

さて、コンデンサの良いメンタルモデルを開発し、同じようなことを考えてみましょう。電流と電圧を逆にするか、逆方向に位相をシフトするだけで、より理にかなっているはずです。

コンデンサを流れる電流の式は次のとおりです。

I = C *（dV / dt）

小さなdは、delta（δ）として知られる小さな変化を表します。
これは、電圧変化が速いほど、コンデンサを流れる電流が大きくなることを意味します。コンデンサは微分器として機能します。
次に、コンデンサに正弦波電圧を接続すると、電流の計算はこの電圧の微分になります。

微積分から、sin（ωt）の導関数はωcos（ωt）であることがわかります。

これらの値をプロットすると：

電圧が最も速く変化しているとき（ゼロクロスで）、電流が最大であり、電圧が変化していないとき（正弦波のピークで）電流がゼロであることがわかります。90°の位相シフトをはっきりと見ることができます。
これは、コンデンサがDCを遮断するがACを通過させる理由も説明します。

時間の経過とともにタンクレベルが正弦波に追従するように、ポンプで水を出し入れする水タンクを考えてください。次に、タンクに流れ込む水流が時間の関数としてどのように見えるかを考えます。タンクレベルがいずれかのピークにあるとき、それは変化しないので、タンクに電流は流れません。タンクレベルが中央にあるとき（タンクレベルの正弦が0）は、タンクレベルが上昇しているか下降しているかに応じて、最大の水がポンプで注入または排出されているときです。

これについてもっと考えれば、ポンプで汲み上げられている電流がタンクレベルの上昇速度に正比例していることがわかります。数学的には、電流はレベルの導関数です。電流も正弦波であり、タンクレベルを90°進んでいることを確認するのは難しくありません。

コンデンサーはほとんど同じですが、タンクのレベルが電圧になり、水流が電流になります。

コメントに応じて追加：

はい、私はこれがコンデンサーがどのように機能するかについての大きなアナロジーではないことを知っています。柔軟なメンブレンは、その良い例です。しかし、問題はコンデンサとは何かではなく、なぜ電圧と電流が互いに90度位相がずれているのかということでした。タンクのアナロジーはそれを視覚化することをより簡単にしたと思いました。

インダクターでは、電圧が電流をリードします。これは、インダクターでは、電流の流れに抵抗があるためです。あなたはそれを慣性と呼ぶことができますが、基本的にそれは、それがエネルギーを与えるときにインダクターが生成する電磁界です。このフィールドは電流の「勢い」を与えます。これは、供給電圧が変化すると、すでに確立されている磁場が同じ電流の流れを維持しようとし、電流の「応答時間」が遅くなるためです。同じ「慣性」のため、フィールドは初期の電源投入にも抵抗します。鋼球が彼の脚にチェーンされている男を想像してみてください-彼は電圧であり、ボールは彼が一緒に引っ張っている電流です。彼がボールを転がすことができたら、それは止めたくありません。

一方、コンデンサは、誘電体媒体の片側に電子を負荷することによって機能します。今回は、同じ人がスノーシャベルで雪を耕すだけだと想像できます。雪（電流）は位相が90度ずれています。これは、印加電圧がコンデンサーの片側に積み重ねられた過剰な電子（電流）の量に直接比例するためです。スノーシャベルがいっぱいになると、これ以上プッシュできなくなるポイントがあります。コンデンサと電源の間の電圧はゼロですが、キャップ端子で測定すると電源電圧と等しくなります。流れる電子は、コンデンサを通過するときに電圧を変化させる触媒であり、電流は位相を進めます。

位相シフトのアイデアは、水のアナロジーによって直観的に理解および説明できます。容器に（正弦波で）水を満たし、このプロセスをグラフィカルに想像してみてください（最大水位の半分をゼロレベル-地面として選択します）。

類推。したがって、最初に開いてから（正弦波的に）供給水栓を閉じます。しかし、（プロセスの後半で）蛇口を閉じても、水位が上昇し続けることに注意してください...蛇口を閉じても奇妙ですが、水は上昇し続けます...最後に、蛇口は完全に閉じています（ゼロ電流）、ただし水位（電圧）が最大です。

さて、この時点で、水位を下げるために流れ（現在）の方向を変更する必要があります。この目的のために、下部にある別の蛇口を開いて（後で閉じて）水を引き出します（コンデンサから電流を引き出します）。繰り返しますが、蛇口を閉じても水位は下がり続けます...蛇口を閉じても水が落ち続けるのはまた奇妙です。最後に、蛇口を完全に閉じました（ゼロ電流）が、水のレベルは最大負（最大負電圧）になります。

したがって、圧力のような量（水、空気、砂、金、データなど）を格納するすべての種類の要素の背後にある基本的な考え方は、積分器と呼ばれます。

出力圧力のような量の符号は、入力の流れのような量（流れ、水流、空気流など）の方向を変えることによってのみ変更できます。流れのような量の大きさを変更することによって変更することはできません。

コンデンサ。この現象を完全に電気的に説明しましょう。正弦波電流源でコンデンサを駆動すると想像してください（「電流源」とは、正弦波電流を生成して通過させることを意味します）。コンデンサーの両端の電圧（ドロップ）がゼロ（空のコンデンサー）、正（充電されたコンデンサー）、さらには負（逆充電されたコンデンサー）であっても、電流源はコンデンサーを介して目的の電流を目的の方向に流します。コンデンサの両端の電圧は電流を妨げません（妨げますが、電流源がそれを補償します）。

したがって、入力電流が正になるまで（正の半正弦波を想像してください）、コンデンサに入り、電流の大きさにもかかわらず、その電圧は連続的に増加します（変化率のみが変化します）...電流を急速に想像してください増加->減速->急速に減少...そして最終的にゼロになります。このとき、コンデンサの両端には最大電圧（降下）があります。

したがって、コンデンサ両端の最大電圧では、電流は流れません...電流は方向を変え、再び急速に増加し始めます->減速します->急速に減少します...そして再びゼロになります...そして再びそして何度も...

したがって、この配置では、コンデンサの両端の電圧降下（損失）を何らかの形で補償する理想的な入力電流源があるため、位相シフトは一定で正確に90度です。

RC回路。次に、ユビキタスRC回路について考えてみましょう。まず、ビルドしてみましょう。コンデンサを電圧源で直接駆動するのは正しくないため、電流源で駆動する必要があります。このために、電圧源とコンデンサの間に抵抗を接続して、入力電圧を電流に変換します。したがって、抵抗はここでは電圧電流変換器として機能します。

入力電圧VINが正弦波状に変化する様子を想像してください。最初は、電圧が急速に増加し、電流I =（VIN-VC）/ Rが入力ソースから抵抗を介して流れ、コンデンサに入ります。出力電圧は遅延して増加し始めます。しばらくすると、入力電圧は正弦波のピークに近づき、その後減少し始めます。しかし、入力電圧がコンデンサ両端の電圧よりも高くなるまで、電流は同じ方向に流れ続けます。上記のように、入力電圧が低下するのは奇妙ですが、コンデンサ電圧は増加し続けます。比喩的に言えば、2つの電圧は相互に移動し、最終的に出会います。この瞬間に、2つの電圧は等しくなります。電流はゼロであり、コンデンサ電圧は最大です。入力電圧は低下し続け、コンデンサ電圧より低くなります。

コンデンサが、負荷として機能する入力電圧源に電流を「押し込む」電圧源として機能することは非常に興味深いです。ソースがソースでコンデンサが負荷である前。今、ソースは負荷であり、コンデンサはソースです...

したがって、2つの電圧が等しくなり、電流が方向を変える瞬間が、最大出力電圧の瞬間です。これは入力電圧の変化率（周波数）に依存することに注意してください。周波数が高いほど、コンデンサの最大電圧が低いほど...後でモーメントが...の間の位相シフトが大きいほど2つの電圧は...最大周波数では、コンデンサ両端の電圧はグランドから移動できず、電流方向が変化する瞬間は、入力電圧がゼロを横切るときです（状況は、電流供給の配置に似ています）コンデンサ）。

結論として、この配置では、コンデンサの両端の電圧降下（損失）を補償できない不完全な入力電流源のため、周波数がゼロから無限大に変化すると、位相シフトがゼロから90度に変化します。

これらの説明は、古いWikipediaの議論に基づいています。

誘導回路では、コイルの電源がオフになり、コイルに加えられる電圧の変化が最大になるため、最初に生成される逆起電力は非常に高くなります。この逆起電力は、最初は現在のフローに反対です。インダクタに印加される電圧がゼロになると、以前に生成された磁束が残留電流と呼ばれる電流を誘導し、ゼロに達した後も残ります。したがって、誘導回路は遅れを生じます。

容量性回路の電流リードについて適切な説明がありません。これは、主要な概念を思い出すのに役立ちました。コンデンサに印加される電圧が一方向に増加すると充電され、減少すると放電します。基本的には、電圧が上昇しているときに電荷を蓄えます。ただし、静電容量に達すると、電圧が上昇していても電流は流れません。同様に、放電中、コンデンサは電圧がゼロに達する前に放電され、それ以上電流を供給できなくなります。したがって、容量性回路がリードします。

4）最初に、回転機械から生成される発電電圧が正弦波タイプであること、つまり各サイクルに4つのクォーターがあることを知っておく必要があります。第1四半期-垂下上昇、第2四半期-増加下降、第3四半期-逆垂下上昇、および第4四半期-逆増加下降。コンデンサーでは、ACの第1象限（垂下立ち上がり）の間に充電が行われ、逆起電力が0から電源電圧まで徐々に増加していきます。ここで2つの注意点：最初に：AC電圧は正弦波タイプであるため、その限界上昇は垂下タイプです（Cos関数で表されます）。たとえば、一定の時間間隔での瞬時電圧のパターンは、v1 = 20、v2 = 35、v3 = 48、v4 = 58、v5 = 66などになります。第二：継続的な充電プロセスで、ソースが何らかの電圧である間、v3、コンデンサはその瞬間までに前の電源電圧（たとえばv2）に到達します。瞬時電流は、任意の瞬間における瞬時電圧（vs -vc）の差により発生します。そのため、時間の経過とともに電圧差が垂れ下がり、瞬時電流が減少します。電源電圧が最大になる瞬間では、限界差はほとんどありません。したがって、瞬時電流はゼロです。コンデンサが飽和します。（注：抵抗が非常に小さいため、時定数τ= RC、つまりコンデンサー電圧が電源電圧にほぼ瞬時に到達するため、成長期間は無視できます。ただし、vs = vmax Sinωt、vc = vmax Sin（ωt-τ ））この逆起電力は、リアクタンスと呼ばれる、抵抗回路と同様の等価抵抗のように見なされます。瞬時リアクタンス（xc）は時間ベースのパラメーターであり、一定の抵抗とは異なり、0から無限大まで変化します。単純化のために、平均リアクタンス（Xc）は一般的なアプリケーションで使用され、充電終了時のVmaxを充電開始時のImaxで割って測定されます（ナンセンス！）。充電の手順を説明しました。同様に、放電、逆充電、逆放電のプロセスを視覚化することができます。これは、油圧タンクの充填に似ています。逆放電が視覚化されることがあります。これは、油圧タンクの充填に似ています。逆放電が視覚化されることがあります。これは、油圧タンクの充填に似ています。