基本問題380 合成容量

直列・並列の合成容量

直感的理解
並列接続では各コンデンサーに同じ電圧がかかり、電荷が足し算されるので容量は足し算。直列接続では同じ電荷が蓄えられ、電圧が足し算されるので逆数の足し算になります。「並列は容量が増える、直列は容量が減る」と覚えましょう。

設定:$C_1 = 2.0\;\mu\text{F}$、$C_2 = 3.0\;\mu\text{F}$、$C_3 = 6.0\;\mu\text{F}$

並列接続

並列では容量の和:

$$C_\text{並列} = C_1 + C_2 + C_3 = 2.0 + 3.0 + 6.0 = 11.0\;\mu\text{F}$$

直列接続

直列では逆数の和:

$$\frac{1}{C_\text{直列}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \frac{1}{C_3} = \frac{1}{2.0} + \frac{1}{3.0} + \frac{1}{6.0}$$

通分すると:

$$= \frac{3}{6.0} + \frac{2}{6.0} + \frac{1}{6.0} = \frac{6}{6.0} = 1.0$$ $$\therefore \quad C_\text{直列} = \frac{1}{1.0} = 1.0\;\mu\text{F}$$
答え:
$$C_\text{並列} = 11.0\;\mu\text{F}, \quad C_\text{直列} = 1.0\;\mu\text{F}$$
補足:抵抗との対比
直列 並列
抵抗 $R = R_1 + R_2$(足し算) $\dfrac{1}{R} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}$(逆数)
コンデンサー $\dfrac{1}{C} = \dfrac{1}{C_1} + \dfrac{1}{C_2}$(逆数) $C = C_1 + C_2$(足し算)

抵抗とコンデンサーは直列・並列が逆の公式になります。

Point

並列 → 容量は足し算、直列 → 逆数の足し算。コンデンサーは抵抗と直列・並列の公式が逆であることに注意。

具体的な数値計算

\(C_1 = 2.0\) µF, \(C_2 = 3.0\) µF, \(C_3 = 6.0\) µF の3つのコンデンサーを考えます。

並列接続:

$$C_{\text{並}} = C_1 + C_2 + C_3 = 2.0 + 3.0 + 6.0 = 11 \text{ µF} = 1.1 \times 10^{-5} \text{ F}$$

直列接続:

$$\frac{1}{C_{\text{直}}} = \frac{1}{2.0} + \frac{1}{3.0} + \frac{1}{6.0} = \frac{3 + 2 + 1}{6.0} = 1.0 \text{ µF}^{-1}$$ $$C_{\text{直}} = 1.0 \text{ µF} = 1.0 \times 10^{-6} \text{ F}$$

例えば \(V = 12\) V をかけたとき、並列では総電荷 \(Q = 11 \times 12 = 132\) µC、直列では \(Q = 1.0 \times 12 = 12\) µC となります。