誘電体コンデンサ: コンデンサにおける誘電体の使用

これらの信頼性の高いデバイスは、私たちが毎日使用する多くのデバイスにとって重要であり、人々は コンデンサの供給に関する懸念 を非常に真剣に受け止めています。

コンデンサは、人類初の月面着陸からiPhoneの開発まで、ほぼすべての技術進歩に欠かせない存在でした。iPhoneは、人類初の宇宙飛行士がほとんど想像もできなかったものです。では、あるコンデンサが他のコンデンサよりも優れている、あるいは少なくともある用途に適しているのはなぜでしょうか?いくつかの要因が関係していますが、最も重要なものの1つは誘電体、つまり、適切な瞬間まで正電荷と負電荷を互いに分離する物質です。

コンデンサの種類と誘電特性

コンデンサの最初の技術的な区分は、極性があるか、無極性であるかです。

- 有極性コンデンサ。名前が示すように、有極性コンデンサは正または負の一方向にのみ機能しますが、無極性コンデンサは取り付ける方向に違いはありません。

- 非極性コンデンサ。あるいは、非極性コンデンサは、印加電圧が各極で正から負に急速に切り替わるフィルタ アプリケーションでの使用に最適です。

コンデンサにおける誘電体の使用

3番目のやや独特なオプションは、可変コンデンサとチューニング コンデンサの形で提供されます。これらのコンデンサでは、値を変更して回路を設定したり、その他の条件に対処したりできます。今日ではやや珍しいことですが、科学的なデモンストレーションとして、またはそのようなコンポーネントを活用できる機器で使用するために、 チューニング コンデンサーを作成 することができます。チューニング コンデンサは、誘電体として空気を使用します。空気の比誘電率 (基本的には静電容量材料の性能評価) は1.0006で、真空中の最悪の誘電率1.0000よりもわずかに優れています。

誘電率はファラッド/メートル (F/m) の単位で表します。真空中では、これは次のようになります。

8.8542×10^-12 F/m。

他のすべてのタイプの誘電体はこの基本数値よりも高い値を持ち、比誘電率または誘電定数として知られています。比誘電率は、物質の誘電率を真空の誘電率で割った値に等しくなります。したがって、真空の比誘電率は1ですが、他の材料の比誘電率ははるかに高くなります。

極性コンデンサ: 化学的に形成された誘電体

有極性コンデンサはほとんどの場合電解コンデンサであり、次のような構成になっています。

- 陽極: 導電性金属

- 陰極: 導電性液体

陽極は酸化層を形成して両者を分離し、極めて薄い誘電体として機能する。 — 100ナノメートルの範囲のどこか。薄い誘電体は、コンポーネントの総静電容量に最適です。これは、次の式に依存します。

C = εA/d

ここで、Cは総静電容量、 ε は誘電率、Aは電極間の分離面積、dはこれら2つの領域間の距離です。したがって、dが0に近づくと、少なくとも理論上は静電容量は無限大に近づきます。

コンデンサに対する誘電体の影響

電解コンデンサの陽極は、アルミニウム、タンタル、ニオブから構成され、それぞれ比誘電率が8.5、27、50の酸化物が生成されます。これにより、上記の式の ε 項が処理されますが、表面積Aは、粗いまたは多孔質の陽極表面を生成するエッチングまたは焼結技術によっても増加します。酸化されて誘電体を形成すると、結果として生じる微細な経路によってコンデンサの有効面積が大幅に増加し、体積効率（単位体積あたりの静電容量）の向上に貢献します。

スーパーキャパシタ （こちら でも説明）は別の化学プロセスを使用しますが、酸化物層の代わりに電解質内のイオンがヘルムホルツ二重層を形成し、一種のアドホック誘電体として機能します。この二重層により、1ナノメートル未満の電荷分離が可能になり、この減少した分母あたりの総静電容量値が向上します。比誘電率は数千に及ぶ場合があり、総静電容量値は多くの場合1ファラッドの範囲になりますが、電解コンデンサの値は通常、マイクロファラッド (μF)、つまり100万分の1ファラッドで表されます。

逆に、スーパーキャパシタは故障する前に1桁の範囲の電圧にしか耐えられませんが、他のタイプははるかに高い電圧に耐えることができます。また、スーパーキャパシタのエネルギー貯蔵および放電速度は、バッテリーよりもはるかに速いものの、従来のキャパシタよりもはるかに遅いです。

非極性コンデンサの誘電体材料

有極性コンデンサとは異なり、無極性コンデンサは回路内のどちらの方向にも設置できます。非極性コンデンサは、電子機器のフィルタリング用途にも役立ちます。誘電体材料には次のようなものがあります。

- セラミック

- ポリマーフィルム

- 紙

- マイカ