2008年03月17日

コンデンサを含む回路の動作原理

電気回路の基本部品の一つであるコンデンサの動作原理について考えてみる。
20080317_1.png
まず、電流の定義から(1)の式が導き出される。同様に静電容量の定義より(2)及び(3)が導き出される。よって(1)の式は(3)により(4)と表すことができ、電流とコンデンサの関係が導き出せた。
ここで(4)の式を両辺積分すると(5)となる(ちなみに静電容量との混同を避けるために積分定数をV0とした。この積分定数は初期電圧を示している)。そしてv(t)の式に等式変形すると、電圧とコンデンサの関係が導き出せる。

実際に以下に回路における微分方程式の例を示す。
20080317_2.png
t>0の時、回路に流れる電流をi、抵抗Rの電圧をVR、コンデンサCの電圧をVCとすると、キルヒホッフの第二法則より(1)となる。VCは最初の表(6)となり、VRはRiとなる。結果、(3)の微分方程式が導かれる。
ちなみにこの式の解を求めるにあたり、ラプラス変換やフェーザ表示による記号法など、代数演算によって解を求める簡単な方法が存在するので、別途解説する。


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