【STEP5-7】コンデンサの交流回路｜電流が進む理由と容量性リアクタンス

STEP3のコンデンサは、電荷をためる部品でした。交流では充電と放電をくり返し、電流が電圧より先に変化します。

交流で手が止まりやすいのは、コイルとコンデンサの進み・遅れ、周波数に対する変化を逆に覚えることです。

交流は、波形を描いてから位相を読み、ベクトルにしてから式を選ぶ。

まず、現象を言葉で読む

純コンデンサでは、電圧を変えるために先に電荷を出し入れする必要があるため、電流は電圧より90°進みます。交流を流れにくくする容量性リアクタンスXCは、周波数と静電容量に反比例します。周波数が高いほど短い時間で充放電が切り替わり、電流が流れやすくなります。

• 電流は電圧より90°進む
• XCはfに反比例
• XCはCに反比例
• μFをFへ直す

波形と位相をつなぐ

横軸の時間、縦軸の大きさと向きを確認します。次に、同じ状態へどちらが先に着くかを見て、進み・遅れを決めます。

公式は、図の関係を短く書いたもの

X_C=\frac{1}{\omega C}=\frac{1}{2\pi fC},\qquad I=\frac{V}{X_C}

fまたはCが大きいほどXCは小さくなります。直流ではf=0と考えるためXCは非常に大きく、定常状態で電流を通しません。

小さな数字で確認する

f=50 Hz、C=100 μFならXC≈1/(2π×50×100×10⁻⁶)≈31.8 Ω。V=100 VならI≈3.14 Aです。

電験3種での読み方

1. 実効値と周波数を確認する
2. 直列か並列か、共通量を決める
3. 進み・遅れを波形またはベクトルに描く
4. 単位をそろえてから式へ入れる

まとめ

純コンデンサでは、電圧を変えるために先に電荷を出し入れする必要があるため、電流は電圧より90°進みます。交流を流れにくくする容量性リアクタンスXCは、周波数と静電容量に反比例します。周波数が高いほど短い時間で充放電が切り替わり、電流が流れやすくなります。

次はLesson8「RLC直列回路」です。