コンデンサの働き

電荷をためる・電圧の変化を滑らかにする — 47µFと0.1µFはなぜ値が違うのか

1. 電荷と電界 — コンデンサの土台になる考え方

すべての物質は、正の電荷を持つ原子核と、負の電荷を持つ電子でできている。ふだんは正負の電荷の量が釣り合っていて、外から見ると電気的に中性に見える。しかし、何らかの方法で正の電荷と負の電荷を空間的に引き離すと、その間には電界（電場）が生じる。

電界がある空間に電荷を置くと、その電荷は力を受ける。この力を、ある基準点からその点まで電荷を動かすのに必要な仕事として表したものが電位であり、2点間の電位の差が電圧である。乾電池の＋極と−極の間に電圧があるのは、＋極側に正の電荷が、−極側に負の電荷が偏って蓄えられているためである。

2. コンデンサは「電荷をためる部品」

コンデンサは、2枚の金属板（電極）を、電気を通さない薄い層（誘電体）を挟んで向かい合わせただけの、単純な構造の部品である。電極間に電圧をかけると、片方の電極に正の電荷、もう片方に負の電荷が集まる。向かい合う正負の電荷は互いに引き合うため、電圧を取り除いても、しばらくはその位置にとどまり続ける。これが「電荷をためる」という状態である。

2-1. どれだけためられるか — 静電容量

コンデンサにためられる電荷の量 Q は、かけた電圧 V に比例する。この比例係数を静電容量（キャパシタンス） C と呼び、単位はF（ファラド）である。

この静電容量Cは、コンデンサの構造だけで決まる。平行に向かい合う2枚の電極でできたコンデンサでは、Cはおおよそ次の関係で決まる。

電極の面積を大きくしたり、電極間の距離を極限まで縮めたり、誘電率の高い特殊な誘電体を使ったりすることで、限られたサイズの部品でも大きな容量を実現できる。この作り方の違いが、後述する電解コンデンサとセラミックコンデンサの性質の違いにつながる。

3. 充放電 — コンデンサが「電圧の変化」を嫌う理由

Q = C × V の関係から、コンデンサの電極間の電圧を変化させるには、たまっている電荷Qの量そのものを変化させる必要があることが分かる。電荷の移動には時間がかかるため、コンデンサの電圧は瞬間には変わらず、なめらかに上がり下がりする。電圧が上がっていく過程を「充電」、たまった電荷を外に出しながら電圧が下がっていく過程を「放電」と呼ぶ。この充放電の性質が、電子回路でコンデンサが使われる理由の中心になる。

4. 電源フィルタとデカップリング — 47µFと0.1µFの違い

第2章・第4章で使った2つのコンデンサは、どちらも「電源ノイズを減らす」という目的は共通しているが、狙っているノイズの種類が異なる。

5. コンデンサがない場合、何が起きるか

DHT20のようなI²Cデバイスは、通信のたびに一瞬だけ大きな電流を必要とすることがある。デカップリングコンデンサがないと、この一瞬の電流要求に電源ラインの供給が追いつかず、電圧が瞬間的に落ち込む。

6. 極性に注意 — 電解コンデンサとセラミックコンデンサ

電解コンデンサは、片方の電極表面に化学的な処理で極薄の絶縁膜を作り、それを誘電体として利用することで大容量を実現している。この絶縁膜は特定の向きに電圧をかけたときだけ安定して存在できる構造のため、電解コンデンサには極性がある。一方セラミックコンデンサの誘電体はセラミック自体であり、向きによる制約がないため極性がない。