充電したコンデンサは、電源から切り離した後でも、蓄えたエネルギーを回路へ渡せます。そのため、条件の合う教材回路ではLEDなどがしばらく動きます。しかし、コンデンサが何もないところから電気を作り続けているわけではありません。先に充電した時間と、その後の放電の時間を続けて見ることが大切です。
電源を外した後の場面だけ切り取ると、エネルギーの入口が見えなくなります。手回し発電機で充電したなら、回した人がした仕事までさかのぼります。「電池がないのに動く」という言葉だけで、外からエネルギーを受け取っていないとは判断しません。
蓄える部分と、使う部分を別々に描く
基本的なコンデンサは、向かい合う導体の間に絶縁体などを挟んだつくりとして説明できます。充電すると両側に電荷の偏りができ、エネルギーが蓄えられます。放電では、外につないだ回路へ電流を流し、そのエネルギーを利用します。
二枚の導体が内部で直接つながって、間を電荷が自由に通り抜けるという図にはしません。回路全体の電流の経路と、コンデンサ内部の構造を区別します。本稿では細かな過渡現象の式までは使わず、充電・放電という時間の違いと、測定値の対応を考えます。
光らなくなっても、蓄えが完全にゼロとは限らない
LEDには点灯に必要な条件があります。放電して電圧が下がり、目で確認できる明るさがなくなっても、コンデンサに蓄えられた電荷やエネルギーが厳密にゼロになったと断言できるわけではありません。光る・光らないという観察と、電圧を測った値は別の情報です。
点灯時間を比べるなら、同じLED、同じ回路、同じ初期電圧、同じ判定方法が必要です。ある試料は暗くなるまで、別の試料は完全に見えなくなるまで計測したのでは、秒数を公平に比較できません。測定を始める時点も、充電開始なのか電源を外した瞬間なのかをそろえます。
例題1：時間の差を、条件から読む
同じ初期電圧まで充電したコンデンサA・Bを、同じ教材回路へ順番につなぎました。決めた明るさ以上だった時間はAが12秒、Bが24秒でした。Bの時間はAの何倍ですか。この結果だけでBの初期電圧も2倍だったと言えますか。
答え・解説： 時間は24÷12＝2倍です。初期電圧は問題で同じとしているので、2倍だったとは言えません。2倍になった量は時間です。秒で測った値を、電圧や電流の倍率へ勝手に置き換えないようにします。
静電容量が異なれば、同じ電圧で蓄えられる電荷の量は変わります。ただし、点灯時間だけから、どんな回路でも容量が正確に何倍と決められるわけではありません。部品の特性や点灯の判定条件を含む実験だからです。問われていない値まで推測して答えを増やさないことが大切です。
例題2：充電前後のエネルギーを対応させる
架空の教材装置へ10Jのエネルギーを与え、そのうちコンデンサに6Jが蓄えられました。放電して使ったとき、目的の働きとして利用できたのは4Jでした。入力に対して蓄えられた割合と、最終的に目的へ利用できた割合をそれぞれ求めます。
答え・解説： 蓄えられた割合は6÷10＝60％、目的へ利用できた割合は4÷10＝40％です。4÷6は、蓄えた分に対する利用の割合であり、入力全体に対する割合とは分母が違います。
残りのエネルギーが消滅したという意味ではありません。回路などで熱へ移る分を含めて考えます。この数値は原理を整理する模型であり、特定製品の効率ではありません。矢印の途中に6Jを書いておくと、入口10Jと出口4Jの間を取り違えにくくなります。
容量と、つないでよい電圧は別
コンデンサには静電容量のほか、定格電圧や、部品によっては極性があります。容量が大きいから高い電圧をかけてよい、ということにはなりません。実験は学校用の教材と指定された接続で行い、家庭の電気機器を分解して試す話には広げないでください。
乾電池との違いを考える場合も、「どちらも蓄えから電気を取り出せる」という共通点だけで仕組みを同じにしません。電池では化学反応が関わり、コンデンサでは電荷を蓄える構造を扱います。問いが時間の比較なら時間、仕組みの比較なら内部の働き、と説明の軸をそろえます。
光電池と蓄電の違いと静電気による引力を合わせ、作る・蓄える・取り出すを別の動詞で説明しましょう。
測定表へは、充電に使った電源の設定だけでなく、放電へ切り替える直前の電圧も書きます。電源が同じでも、充電した時間や回路の状態によって、比較開始時の条件がそろっているとは限らないからです。初期条件が違えば、点灯が長かった理由を容量一つに絞れません。発電機を回した回数をそろえる実験でも、回す速さや負荷によって投入した仕事が同じとは限りません。「同じ回数」と「同じエネルギー」は異なる条件です。例題でそろえた条件は何かを、結果の欄と分けて書き出しましょう。