コンデンサはなぜ損失しないのでしょうか

質問

ジャンクションダイオードにリカバリー電流が流れるときには、ダイオードにかかる電圧と電流で損失が発生しますが、ショットキバリアダイオードにリカバリー電流が流れるときにはその電流が等価的にコンデンサの変位電流であるので損失にならないとのことです。
ひるがえって考えると、抵抗に電圧と電流がかかると損失になるのに、なぜコンデンサに電圧と電流がかかっても損失にならないのかが分かりません。（無効電流だから損失にならない。コンデンサのＥＳＲ分は損失になる。この程度は理解しています。）
同時にコイルも同じくわかりません。（たぶん発生する電圧分が磁束エネルギーに変換されるからとイメージはしていますが）
たぶん物性的な説明をしていただけると、私も納得できるかと思います。
どうぞよろしくお願いします。

回答No.3

el156 · ベストアンサー

例えば蓄電池に与えたエネルギーが損失になるかどうかを考えてみます。与えたエネルギーが戻って来なければ損失ですが、いつか戻って来ることが約束されているなら損失ではありません。同様に、もしコンデンサに溜めた静電エネルギーを取り出すことができなければ損失になりますが、取り出せれば損失にはなりません。少なくともコンデンサのうち損失分を除いた純粋な静電容量成分に関して言えば、CV^2/2 = QV/2を溜めることができ、又取り出す事ができますから、損失になりません。コンデンサにある電圧波形を与えたとき、流れる電流波形は電圧波形より遅れます。この時の電圧波形と電流波形を同時に眺めてみれば、ある期間ではコンデンサにエネルギーを蓄え、その後の期間ではそのエネリギーが供給側へ戻って行く様子が理解できると思います。電圧と電流を逆転して考えれば、インダクタも同じです。但し、以上は計算上の静電容量、インダクタとして働く「成分」の話であって、現実のコンデンサやコイルが損失を持つ事は十分ご承知かと思います。
補足になりますが、ESRというと、もしかして、電極やリード線の直列抵抗のイメージが強いのではないかと思います。しかし、コンデンサの種類や周波数にもよりますがむしろ誘電体に吸収されて戻ってこない分、即ち電極とは関係なく誘電体自体が持っている損失成分の方が大きい場合が多いと思います。何れにしても与えた静電エネルギーのうちどうやっても後から取り戻せない分を損失にカウントします。ESRもtanδも、用途には各々個別の特徴がありますが、広い意味ではどちらも損失の測り方の一つです。
蛇足かもしれませんが、純粋な静電容量にステップ状の電圧変化を与えたり、純粋なインダクタにステップ状の電流変化を与えると、損失分を仮定しなくても損失が計算できてしまいます。例えばV(ボルト)のステップ変化をCに与えると与えたエネルギはQV=CV^2ですが、コンデンサに溜まるのはQV/2=CV^2/2ですから、充電の際、半分が損失します。これは静電容量が損失を生じたのではなくて、「純粋な静電容量にステップ状の電圧変化を与える」という命題が静電容量の定義と論理矛盾していることによる帰結です。ステップ状の電圧を加えるような条件では損失の無い純粋な静電容量は電気回路の現象を説明するモデルとして役不足だということになります。現実にはこの半分は誘電体のtanδや回路上の抵抗によって損失します。

補足

御回答ありがとうございました。
趣旨は理解できました。
自分で問題点を明確にしていなかったと反省しています。

皆さんの御回答の後、自分なりに考えてみました。
真空中に向かい合った、電極（金属板）があり、そこに電源を接続した場合、電荷（自由電子）は+の電極から、外側の電線,電源,電線,－の電極に移動して、移動した電荷量に応じて電位差が生まれる。
つまり、コンデンサの中は電荷が移動しない（電流が流れない）よってジュール熱の損失が発生しないことに気が付きました。
コンデンサは交流電流は流すと一般に言われてますが、この場合にも実際の電流はコンデンサの外側を流れ、電極の間は電位の変化が発生しているにすぎない。また電荷はコンデンサの中に蓄えられるのではなく、電極に蓄えられることに気が付きました。
電極の間に誘電体を挟んでも、誘電体は絶縁体ですから、自由電子は存在しません。ただし、誘電体が分極するときには、その運動エネルギーが損失になるのかもしれません。

回答No.2

rnakamra

瞬間的に見るとコンデンサでも電力の消費はあります。
コンデンサに充電しているとき、コンデンサに蓄えられるエネルギーが増える分電力が消費されます。
ただ、充電が終わり放電が始まりますと逆に電力がコンデンサから供給されることになります。

エネルギーの蓄積と解放の時間平均を取ると"0"になるということです。

お礼

御回答ありがとうございました。
コンデンサに充電するときは、電源が電力を消費し、コンデンサが放電するときは負荷が電力を消費するので、コンデンサは電力を消費しないのですね。

回答No.1

fjnobu

コンデンサーも損失が有ります。コンデンサーの損失は温度上昇になります。
コイルも損失が有ります。コイルの抵抗分とヒステレシス損で、これも熱になります。

お礼

御回答ありがとうございました。