鉱石ラジオの回路とそのはたらき[コンデンサー中編]

”健二式鉱石受信機-Secret Voice””
秘密のささやきが鉱石のちからをかりてやってくる夜
ケネリー・ヘヴィサイト層(Kenelly Heviside layer)も安定して、ため息のような秘密をきかせる

コンセンサーについて(前回に引き続いての中編です)

静電誘導。電界・電気力線

よく理科の教科書に出てくる実験で、エボナイト棒をフランネルの布でこすると、フランネルの表面から電子がエボナイトの表面に移動してエボナイトは負に帯電し、その反対にフランネルは正に帯電すると言います。またガラス棒と絹布では、逆にガラス棒から電子が移って、ガラスは正に絹布は負に帯電するとも言います。電子がどのように移動していくのかは簡単には説明しづらいのですが、確かに実験上正(+プラス)や負(ー マイナス)に帯電している様子は認められます。この働きを合理的に示すのは電気盆と呼ばれる実験道具で、これによって先ほどのライデン瓶に電荷を集めることもできます。

電気盆の使い方No.1

電気盆の使い方No.2

電気盆の使い方No.3

電気盆の使い方No.4

プラスやマイナスの電子が集まったものを電荷と言い、その正や負の電荷を帯びていることを、正や負に帯電していると言っています。また電荷がその中を自由に動けるものを導体、動きにくいものを絶縁体と言います。金属や海水、人体などは導体で、ガラスや紙、ゴムなどは絶縁体と言われていますが、実際にははっきりと区別ができるわけではありません。絶縁体でもわずかに電荷が移動できるものもあり導体でも電荷の移動に対して抵抗がゼロではないからです。

この電荷の間に働く力(引きつけたり反発したり)の大きさは、両電荷の積に等しく両電荷間の距離の2乗に反比例します。これをクーロン(COULOMB)の法則と言います。簡単に言うと、電荷が大きいほど力が強く働き、近づけば近づくほど急激に強くなるのです。ちょうどこすった下敷きに紙片がすいよせられるとき、あるところまで近づけると急にピュッとくっつくようなことです。

静電誘導

これをもう少し説明すると、図ような導体を絶縁体によってテーブルなどから離したものに、プラスの電荷を帯電させたガラス棒を近づけると導体はガラス棒に引きよせられます。本来絶縁物である紙でも、重量が軽いのでやはり同じように引きよせられます。この時、ガラス棒に引きよせられたもののなかでガラス棒に近い部分にはガラス棒とは逆のマイナスの電荷が現われてくるのです。もともと中和されている状態にあったわけですから、ガラス棒より遠い部分には残ったプラスの電荷がたまります。

これらの正や負の電荷は、帯電体を近づければ近づけるほど強く現われ、引きつけられます。そして帯電体を遠ざけていくと、分離していた電荷は再び中和状態にもどって安定します。この帯電体を近づけたり遠ざけたりすることや、距離が変化しなくても向かい合う導体の帯電によって逆の電荷が現われたり消えたりする現象を、静電誘導と言います。またこのような電気力の働く空間を電界と呼びます。

電気力線 Electric Line of Force
上:異なる電荷は引き合い電気力線が正から出発して負へ向かう
中:ゴムのように引き合うがまた直角の方向へふくらむ性質がある
下:同じ電荷は反発する

電気のこれらの現象は目に見えないので、ファラデーは電気力線electric line offorceというものを便宜上考えていました。

これは以下のような性質があるとされますが、電気の現象を理解するのに役立つと思います。

1.電気力線は密なところは電界が強く、疎になるにしたがって電界は弱くなる

2.電気力線は正の電荷から負の電荷にむかっていると考える。

3.電気力線の両端には必ず正負の電荷がある。

4.電気力線はちょうどゴムの線のように正と負の電荷を引き付ける力を持っている。ただしゴムとは逆に近付けば近付くほどその力は増大する。

5.同じ電荷の電気力線は互いに反発しあう。

コンデンサーのはたらき

それでは、具体的なコンデンサーのはたらきを考えてみることにしてみましょう。コンデンサーとは絶縁物によってへだてられた2つの導体によって成り立っているものです。

コンデンサーの構造図

ほとんどの電気の本には、「コンデンサーは直流電気は通さないが交流電気は通

す」と書いてあります。このことを基本のところから考えてみたいと思います。まず、直流電気と交流電気とは、いったいどのようなものなのでしょうか。

直流の代表と言えば電池などの電流です。電池の中の電気がなくなるまで、15Vの電池なら15Vの電位差のまま(もちろんだんだんと電圧はさがってきますが)電流が流れるわけで、+と―の関係は変わりません。交流の代表はと言えば、いまぼくたちの家庭に来ている電源電流がそうです。

交流と直流
交流:この場合はサイン波 時(t)とともに極性が交番する
直流:+側も一側も電圧(V)が‐定で変化しない

50 Hzの交流とは1秒間に100回正と負を交番している電流のことです。しかし仮に1分に1回ずつ電池の極を換えて電気を流した電流を考えてみると、それでも定義Lは交流ということになりますが、高周波を扱うコンデンサーにとってはそのふるまいは直流とあまり変わりがなくなってしまうのです。

方形波と音声波形
電池(直流電源)の+と―を入れ替えても、 上の方形波の波形は理論上可能である。
1分の長さが1年でも理屈の上では交流であるのだが …
音声の波形は交流である。

また、容量の大きなコンデンサーになると、まったくの直流を流した場合でさえも充電が完了するまでのわずかな時間、電流は流れるわけです。ですから先ほどのコンデンサーの定義については、「直流や低い周波数の電流ほど通しづらく、周波数が上がるにしたがって電流を通しやすくなるもの」と言い直したほうが正確でしょう。ではなぜそのようになるのでしょうか。

コンデンサーのしくみ

コンデンサーの充放電

図のようにコンデンサーに電池をつなぐと、プラスの極板にはプラスの電荷がたまって、向かい合う板には静電誘導によってマイナスの電荷がたまります。

これは先ほど説明した静電誘導によるものです。これで充電ができました。充電が完了すると、もうこれ以上は電流は流れず停止します。ここでスイッチを1から2へ入れ替えてコンデンサーと豆電球をつないでみます。するとコンデンサーから充電した電子が放電し、豆電球を光らせます。もしこのコンデンサーに交流のようにプラスとマイナスが交番する電流を流すとどうなるでしょう。極性が刻々と変わる交流によってコンデンサーは充電と放電をくりかえし、2つの導体の間には絶縁体という本来電流を通さない層があるのにもかかわらず、あたかも電気が流れているように電流が認められます。

パイプの図
本来AとBの水はつながっていないが交番する水圧は互いに水流を伝達し合うー。
ゴムの膜が左からの水圧でふくれたところ
反対の水圧でふくれるだろう部分

それはちょうど上図のような感じだと思います。電流を水の流れ、導線をパイプ、電池を水の入ったプール、豆電球を水車とします。直流の場合、プールから流れ出る水流が直接水車を回していることになります。もし、このパイプの途中をゴムの膜で仕切ると、ゴムがふくらみきるまでは水流は発生してもそれ以上は流れなくなってしまいます。ところがこの水流を交番電流のように交互に向きを変えて流してあげると、水車の動きは一定方向ではありませんが、ゴムの膜によって仕切られているはずの管の中にちゃんと水流がおこっているのです。

ゴムの膜がふくらみきるまで水をためるこのしくみは、コンデンサーの働きを理解するのに役立つたとえだと思います。

このゴムの膜によってためることができる水の量を、コンデンサーが電気をためることができるキャパシティー(容量)だと考えてもらうといいでしょう。これは極板の面積が大きければ大きいほど増大し、そのすきま(ギャップ=GAP)が小さければ小さいほど静電誘導の効果によってやはり増大します。

この容量のことを静電容量といって、通常は単に容量(キャパスタンス)と言いl単位はファラッド(F)で表わします。もっともこれはとでも大きな単位なので、通常はファラッドの100万分の1のマイクロファラッド(μ F)、あるいはそのさらに100万分の1でピコファラッド(pF)という単位を使います。

以上のように、コンデンサーは、直流は通しづらく交流だと通しやすい、それも周波数が高ければ高いほど通しやすい、ということになります。ただし、コンデンサーの容量があまりに巨人である場合は充電に時間がかかりますし、また、あまりに高い周波数に対しては十分にキャパスタンスが得られないこともあるわけです。また容量を稼ぐためにそのすきまを小さくしすぎると、かける電圧が高い場合、スパ―クしたりしてしまいます。もっともそれほどの電圧も電流も使わない鉱石ラジオを製作する上では、あまり関係はありません。

コンデンサーと位相

コンデンサーと位相

コンデンサーには、もう 一つの重要なふるまいがあります。それは充電と放電をくりかえすシステムによって引きおこされます。図のようにコンデンサーに充電や放電が起こると、このコンデンサーを通過した電流のサイクルともとの交流のサイクルとの間に少しずれが生じるのです。

①のように交流電圧がゼロから最大までの間は、コンデンサーには充電のために電流が流れます。電流ははじめはたくさん流れますが、コンデンサーに電気がたまるにしたがって流れは減っていき、電圧が最大の時電流はゼロになります。そして

②では交流の電圧は減ってしだいにゼロになります。すると、コンデンサーの中の充電電圧のほうが高くなるのでしだいに放電をしてゆきます。

③のように電圧がマイナスのほうへ大きくなっていくとこんどは逆の極性で充電され、

④マイナスの電圧がピークを過ぎると充電電圧のほうが圧力が大きいので放電をするのです。

上図に示すように、この交流の1サイクルがちょうど4分の1ずつずれているとおもいます。波形がまったく反対になることを180°位相がずれる(あるいは逆相になる)と言いますが、この場合は4分の1なので90° ずれていると言い、山や谷がそれぞれ前の方にずれてきたようになるので、 90° 位相が進んでいると言います。

*後編も近日アップ予定です。次回ではコンデンサーの実際について紹介していきます。

*この記事は、小林健二著「ぼくらの鉱石ラジオ(筑摩書房)」より抜粋編集しております。

KENJI KOBAYASHI

 

 

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