コンデンサは電流を流しながら電荷をどのように蓄えることができますか？

コンデンサは電荷を蓄えるとよく言われます。ウィキペディアを読むだけで、次のことがわかります。

Daniel Gralathは、電荷貯蔵容量を増やすために、いくつかのjarを並列に組み合わせて「バッテリー」にした最初の人です。ベンジャミン・フランクリンは、ライデンの瓶を調査し、電荷は他の人が想定したように水中ではなくガラスに保存されているという結論に達しました。

導体（またはプレート）は互いに接近しているため、導体の反対の電荷は電界によって互いに引き付けられ、導体が分離されている場合よりもコンデンサーが特定の電圧に対してより多くの電荷を蓄積できるようにして、コンデンサーに大きな静電容量を与えます。

ここで、Qはコンデンサに保存された電荷です

電荷はクーロンで測定され、静電容量の定義から、1Fコンデンサの電圧が1Vの場合、1Cの電荷がそこに保存されることがわかります。クーロンが6.241×10 ¹⁸電子の場合、このコンデンサのどこかに6.241×10 ¹⁸電子があるはずです。

しかし、今これを考慮してください。あるAC電圧源への負荷としてコンデンサを使用すると、いくらかの電流が流れます（電圧、周波数、静電容量に応じて正確な量）：

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

電流がこの回路の周りをずっと流れていることを知っています。コンデンサのどちらかの側に電球を置くと、点灯します。しかし、電流がこの回路の周りを流れている場合、コンデンサはどのように「電荷を蓄える」のでしょうか？つまり、回路の周りに電流が流れている場合、どのようにしてコンデンサに電子を入れることができますか？つまり、コンデンサに入れたすべての電子について、同じ数が反対側に出ますか？いくつかを取り出さずに電子を入れることができない場合、コンデンサはどのようにそれらを格納できますか？

それは簡単です。コンデンサは電荷を蓄えず、エネルギーを蓄えます。（単一のプレートまたは絶縁体を検討するのではなく）コンデンサ全体の正味電荷は決して変化しません。一方のプレートの負電荷の増加は、もう一方のプレートの負電荷の減少と正確にバランスしています。したがって、電流が一方の端子に入ると、等しい電流がもう一方の端子から出なければなりません。

これは漫画版の一種ですが、私の頭の中で動作します。

コンデンサには絶縁ギャップがあるため、個々の電子は一方の端子から他方の端子に移動できません。つまり、入ってくる電子は反対側から出てくるものと同じではありません！代わりに、入ってくる電子は1つのプレートで「停止」します。しかし、その電子の電場は、反対側から電子を反発し、もう一方のプレートから出て、最終的にソースに到達します。完全な回路がありますが、一方のプレートに電子が蓄積され、もう一方のプレートに穴が蓄積されています！

現在、プレート上に蓄積できる電子の数には制限があります。電子は互いに反発するので、電子が多いほど、他の電子がくっつきにくくなります。私たちは、彼らが一緒にプレート上に留まることを強制する何かが必要です。それが電圧です。逆に、電子が互いに反発しようとしているという事実は、回路の周りで電子を動かそうとする力である電圧でもあります。

さて、入ってくる電子がもう一方のプレートから1つを緩めると、出ていく電子は入ってくるものよりもエネルギーが少なくなり、充電されたコンデンサの電圧降下を説明します。

もちろん、電子がマクロスケールで進む場所がなくても、電子は静止していません。それらはすべて互いに反発し、互いの電場から「跳ね返ります」。これらの電界が強すぎる（電圧が高くなりすぎる）場合、相互作用により電子がプレート間の誘電体バリアを貫通する可能性があります。プレート間の電圧が高くなりすぎると、キャップのリーク電流が増加します。そして、それが長すぎると、誘電体が損傷し、もはや非常に良いキャップがありません。

充電には多くの意味があります。爆弾やプリペイドクレジットカードの充電のように、エネルギーをコンデンサーに充電することについて話すことができます。クーロンで測定される電荷についても取ることができます。

約6.241×10 ¹⁸電子は、確かに1Cの電荷を作ります。しかし、人々がコンデンサーの電荷について話すとき、彼らはクッキージャーのクッキーについて話すように、コンデンサーの電子について話しているのではありません。彼らは別のことについて話している。紛らわしいですが、とにかく彼らがやっていることです。

彼らが実際に話しているのは、現在の積分です。つまり、流れている平均電流と、流れている時間の長さの積です。電流がアンペアで測定され、時間が秒で測定される場合、電流を取得して時間で乗算すると、アンペア秒で測定されます。そして、あなたが思い出すならば、アンペアは毎秒1クーロンを意味します。したがって：

つまり、アンペア秒はクーロンです。電流の積分は電荷です。したがって、コンデンサが「1Cの電荷を蓄えている」と誰かが言ったとき、それらはコンデンサに1Cの電子があることを意味するのではなく、1Cの電荷がコンデンサを通過したことを意味します。コンデンサは、1Cの電荷を逆方向に押し戻すのに十分なエネルギーを含んでいるという意味で、その量の電荷を「蓄積」しています。

コンデンサは、電荷蓄積デバイスとしてよりもエネルギー蓄積デバイスとして考える方が良いでしょう。コンデンサに電流が流れると、端子に電圧がたまります。この電圧はプレート間の距離によって分離されているため、電界が発生します。このフィールドは、エネルギーが保存される場所です。一方、インダクターは磁場によってエネルギーを蓄えます。

電流が流れると、反対の電荷がコンデンサの反対の各プレートに蓄積されます。電子は回路を回ろうとしますが、コンデンサーのプレートで停止し、片側に負の電荷を、もう片側に正の電荷を残します。各電荷の大きさは、次の式で表すことができます。

C = Q / V

コンデンサー付き回路が安定するまで、電流は流れ続け、電荷は蓄積され続けます。たとえば、回路が単なるバッテリー、抵抗、およびコンデンサーの直列である場合、コンデンサーの電圧がバッテリーの電圧と等しくなるまで電流が流れ続けます。したがって、電流が変化しない定常状態のDC回路では、コンデンサは開回路として表示され、蓄積された電荷は端子間の電圧と静電容量に比例します。

ただし、DC以外の回路の場合、コンデンサの動作を説明するより良い方法は次のとおりです。

I = C *（dV / dt）

したがって、正弦波電圧源がある場合、コンデンサを「流れる」電流は常に変化し、蓄積された電荷は決して安定しません。半分の水ボトルを前後に傾けることを想像してみてください。DC回路では、水は電流のように継続的に流れていませんが、まだ機能しています。水のボトルに奇妙なタービン装置があった場合、それは常に回転し、ボトルが逆方向に傾いたときに方向を変えるために停止するだけです。

最後に、DC回路では、コンデンサの各サイドプレートに等しい電荷と反対の電荷が蓄積されます。コンデンサは電子をまったく蓄えません。料金を格納します。一方の側からの電子は、外部電圧差によって引き起こされるように、回路全体を反対側に移動します。その結果、一方の側に電子が集中し、もう一方の側に電荷がなくなります。AC回路でも同じ現象が発生しますが、常に変化しています。供給電圧が変化するとすぐに、電子は同じ方法でプレートに引き付けられず、移動し始めます。これらの電子が途中で電球などの負荷を通過する場合、それらは機能し、電球が点灯します。したがって、電流は実際には回路の周囲を流れていません。ボトルに入った水のように前後にスロッシングするだけです。しかしながら、電球を照らすために必要なのは、電子を動かすことだけです。電球はそれらがどのように動いているかは気にせず、スイッチング速度が十分に速い限り、目は方向の変化を感知できません。

また、理想的なコンデンサについて話していることにも注意してください。実際には、十分に高い周波数では、コンデンサはインダクタのように見えます（V = L *（di / dt））。

編集：

特定の質問に答えるには：コンデンサのどこに電荷が蓄えられていますか？

完全なコンデンサ内では、正味の電荷は保存されません。しかし、平行板モデルを使用すると、大きさQの等しく反対の電荷が各板に配置されます。コンデンサに外部電圧が印加されると、電子はより高い電位のプレートから逃れ、より低い電位のプレートに引き付けられます。これらの蓄積された電子は、そのプレート上で負の電荷を形成し、他のプレートからの電子がない場合は正の電荷を形成します。各合計電荷Qの実際の大きさは、電圧Vと静電容量Cによって決まります。