電磁気高校物理・化学で出てくる

静電容量の単位 ファラド(F) の意味|基本単位で表すと A2·s4kg·m2

F=A2·s4kg·m2
次元 [M⁻¹ L⁻² T⁴ I²]
検算のポイント

答えが静電容量なら、右辺の単位は F(= A2·s4kg·m2) になっているはず。ならなければ、どこかが間違っています。

関連するミス例:平行板コンデンサーの容量で S と d を逆にする

このページでわかること
  • 静電容量を言葉でどう言い表すか
  • その言葉を単位に置き換えると、なぜ F になるのか
  • F のいろいろな書き方と、その根拠になる公式

静電容量とは? 言葉で意味をつかむ

静電容量とは 電圧 1 V あたりにためられる電荷。

言葉の式
静電容量 = ためた電荷 ÷ かけた電圧

言葉の式に出てくるそれぞれの言葉は、すでに単位がわかっている量です。言葉を単位に置き換えてみましょう。

言葉何の量か単位
ためた電荷電荷(電気量)C
かけた電圧電圧・電位V
[静電容量] =C÷V
   =CV
   =A2·s4kg·m2
   =F
ファラド(F)は、この組み合わせ CV に付けられた名前です。
1 V の電圧をかけたとき 1 C の電荷をためるコンデンサーの静電容量が 1 F。

基本単位までたどる

言葉の式に出てきた量も、さらに言葉の式で分解できます。電荷(電気量) → 速度 → 加速度 → 力 → エネルギー・仕事・熱量 → 電圧・電位 → 静電容量 の順にたどると、すべて基本単位(m・kg・s・A・K・mol・cd)だけで表せます。

前提:電荷(電気量)・速度・加速度・力・エネルギー・仕事・熱量の単位(知っていれば飛ばしてOK)

電荷は「電流 × 流れた時間」。A に s をかけた A·s が C(クーロン)です。

[q] =A×s=A·s=C

速さは「進んだ距離 ÷ かかった時間」。m を s で割って ms です。

[v] =m÷s=ms

加速度は「1秒あたりに速さがどれだけ変わるか」。速さの ms をさらに s で割るので ms2 になります。

[a] =ms÷s=ms2
力 — 運動方程式 F=ma

運動方程式 F = ma で、質量 kg と加速度 ms2 をかけると kg·ms2。この組み合わせに N(ニュートン)という名前がついています。

[F] =kg×ms2=kg·ms2=N

仕事は「力 × 動かした距離」。N に m をかけた N·m に、J(ジュール)という名前がついています。

[W] =N×m=N·m=kg·m2s2=J

電圧は「1 C の電荷が2点の間を移動するときに得るエネルギー」。W = qV を V について解いて JC。これが V(ボルト)です。

[V] =J÷C=JC=kg·m2A·s3=V

q = CV から C=qV。「1 V あたりにためられる電荷」なので CV、これが F(ファラド)です。

[C] =C÷V=CV=A2·s4kg·m2=F

F の別の書き方

同じ量でも、使う公式によって単位の見え方が変わります。どれも基本単位にすると一致します。

書き方根拠になる公式
F=CVコンデンサーの電気量
q=CV
F=JV2コンデンサーのエネルギー
U=12CV2
F=sΩRC回路の時定数
τ=RC

静電容量が出てくる公式

まとめ
  • 静電容量とは、電圧 1 V あたりにためられる電荷。
  • 言葉の式 静電容量 = ためた電荷 ÷ かけた電圧 を単位に置き換えると CV。
  • 基本単位だけで書くと A2·s4kg·m2。

練習問題:分子と分母を見きわめる

問題文には単位が書いてあります。計算はしなくてかまいません。どの単位が分子(上)に、どの単位が分母(下)に来るかだけを考えて選んでください。

問1静電容量は「ためた電荷 ÷ かけた電圧」で求められます。「ためた電荷」[C]、「かけた電圧」[V] のとき、静電容量の単位はどれ?

答えと解説

正解:D CV

かける量(ためた電荷)の単位が分子、割る量(かけた電圧)の単位が分母に来ます。まとめると CV = F。

問2コンデンサーのエネルギー U=12CV2 を使います。U 「エネルギー・仕事・熱量」[J]、V 「電圧・電位」[V] のとき、静電容量 C の単位はどれ?

答えと解説

正解:C JV2

式を C について解くと C=UV2。分子・分母にそれぞれの単位を入れると JV2 = F。

問3静電容量 = ためた電荷 ÷ かけた電圧 です。「静電容量」[F]、「かけた電圧」[V] のとき、「ためた電荷」の単位はどれ?

答えと解説

正解:A F·V

言葉の式を「ためた電荷」について解き直すと「ためた電荷 = 静電容量 × かけた電圧」。単位を入れると F·V = C。

次に読む:静電容量を使って表される量