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抵抗・コンデンサ・コイルの動きをイメージする

抵抗・コンデンサ・コイルの動きをイメージする 回路記号で動きがわかる

どんな電子回路にも使われている基本的な素子である抵抗・コンデンサ・コイルについて、それらの回路記号から動作をざっくりとイメージしてみたので、ご紹介いたします。それぞれ電子回路内で重要な役割を果たしており、シンプルに見えてなかなか奥が深いものですが、その動作を正しく表現するためには理論や数式を用いる必要があります。ですがここでは、数式はできるだけ使わず、記号の形から動作をイメージしていきたいと思います。

ざっくりイメージなので、それはチョット違うのでは?と思われるところもあるかもしれません。正確性は一旦置いておいて、どんなモノなのかのイメージとして、そういう考え方もあるね、ぐらいに捉えていただければと思います😅。一旦イメージで捉えたうえで、正確には特性を数式で読み解くと理解が深まるのではないかと思っています😊

ここでは、各素子に対し、直流と交流で電流の流れ方がどう影響されるか、という観点を中心に見ていきます。

抵抗:直流も交流も同じように作用する

抵抗の回路記号

まずは抵抗(抵抗器)ですが、これはとてもシンプルですね。ギザギザになっていて、まっすぐ行くより通りにくいイメージです。オームの法則から考えると、I(電流) = E(電圧) / R(抵抗値) なので、抵抗値が大きいほど電流が小さくなる、つまり電流が流れにくくなります。これは直流に対しても交流に対しても作用は同じです。

しかし、後述のコンデンサとコイルについては、直流と交流で電流の流れにくさが変わってきます。どうしてそうなるのかを、記号からイメージしていきたいと思います。

コンデンサ:直流は流れにくく、交流は流れやすい

コンデンサの回路記号

次はコンデンサです。見ての通り、途中で途切れている感じになっており、通過できないような感じがします。この向かい合った線の空いているところは電気を流さない物質が詰まっているので、電気が流れないように見えます。そこでコンデンサに電池(=直流電源、周波数は0)を繋げると、電気は通さないものの、その両側は電池の影響により帯電することになります。そのイメージ図は次のようになります。

コンデンサへの充電と放電

コンデンサの中に詰まっているものは、電気を流さないが帯電はするもので、誘電体と呼ばれています。帯電した状態は、電池によって充電されたと考えることもできます。最初は充電のために電流が流れますが、すぐに満充電になって電流は流れなくなります。その後電池を切り離し、何か負荷を接続すると、帯電された電気がすぐさま出てきます。これは放電と考えることができます。電流の方向は充電時と逆方向になっていますね。これは、入ってきた電気を逆方向にすぐに出せるようなもの、と考えることができます。この特徴をもう少し考えて、電池(直流)ではなく、交流の電源を繋げた場合を考えてみると、次のように動いていきます。

コンデンサに交流を流した時の動き

交流電源によりコンデンサの電圧が上がっていくと徐々に充電されていき、電圧最大で満充電になり、このとき電流は0となります。その後電圧が下がると、マイナス側に電流を出して放電していき、放電しきると電圧0となります。さらにその後マイナス側の電圧がかかると電流は0に向かっていき、マイナス側にフル充電になるというイメージです。以下それが繰り返されていきます。全体的に見てみると、交流の電流が流れ続けている、とイメージできるかと思います。

このことからコンデンサは、直流(または周波数が低い)は通しにくく、交流(周波数が高い)は通しやすい、という性質であることがイメージできます。

コイル:直流は流れやすく、交流は流れにくい

コイルの回路記号

次はコイルの回路記号を見ていきます。抵抗と似ていますが、ギザギザではなく丸みがある山が続いており、実物のコイルも電線を巻いて作られていることから、電気は流れるけどぐるぐる巻きの電線で距離がとても長い、というイメージできます。

コイルの回路記号と実際の形状

コイルはこのように電線が巻かれているので、実際に電線は長いです。直流であれば、電気の流れる方向は一定なので、長くても流れるイメージです。一方交流は、電流の向きが高速で変わるので、距離が長いと向こう側に到達する前に逆向きになって伝わらないイメージです。(あくまでもイメージ)このことから、コンデンサとは逆で、直流(または周波数が低い)は通しやすく、交流(周波数が高い)は通しにくい、という性質であることがイメージできます。

では次に、コンデンサとコイルを並列に繋げてみた場合を考えてみます。

LC共振回路

これまで考えてきた特徴をふまえると、直流や低い周波数はコイル側へ、高い周波数であればコンデンサ側に流れる、ということもイメージできると思います。そうすると、ある周波数でコイル側に行くかコンデンサ側に行くかが分かれ、ある特定の周波数ではどちらへも流れにくい、という状況も想像できるのではないでしょうか。その特定の周波数のことが、共振周波数と呼ばれているものかと思います。この回路はコンデンサとコイルで形成されているのでLC共振回路とも呼ばれ、その共振周波数はコンデンサやコイルの定数(CとLの値)によって決まります。

まとめ

基本的な素子である抵抗・コンデンサ・コイルについて、それらの回路記号から動作をざっくりとイメージしてみました。素子に流す電流を直流(もしくは低い周波数)と交流(高い周波数)で考えてみると、
・抵抗(R)は、直流も交流も同じように流れにくくする
・コンデンサ(C)は、低い周波数は通しにくく、高い周波数は通しやすい
・コイル(L)は、低い周波数は通しやすく、高い周波数は通しにくい

というイメージになりました。また、コンデンサとコイルを並列にすると、特定の周波数でどちらにも通りにくくなる、ということもイメージできると思います。
数式を使わずに形から直感的にイメージしてみましたが、このイメージを持ってからこれらの特性を表す数式を学んでいくと、より理解しやすくなるのでは、と思っているのですが、いかがでしょうか😊

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