電力の錬金術

コンデンサを使ってエネルギーを増幅できないか考えてみました。

1C(クーロン)の電荷をコンデンサにチャージした時のエネルギー量をみると、
以下の式から電圧が高いほうが総エネルギーも高くなるので、
小さいコンデンサに電荷を貯めた方が指数関数的にエネルギーが増えることがわかります。
      U=0.5 × Q × V = 0.5 × C × (V^2) [J]

チャージポンプでは並列になっているコンデンサを直列に切り替えるだけなので、
電圧が2倍になる反面、静電容量が1/4(2つに分割して半分、さらに直列にして半分)になるので総エネルギーは変りません。

でも、可変容量コンデンサなら、容量値を絞って小さくすることでコンデンサにチャージされているエネルギーを増大させることができます。
電子制御でコンデンサの容量を可変できれば、錬金術のごとくエネルギーを生み出せそうですね。

  • プールの面積>コンデンサ容量

    プールの水位>電圧

    総水量>エネルギー≒電荷

    経験上、↑の様に思っております。

    同じ水量でプールを小さくすれば、当然水位は上昇しますが、総水量は同じなので、総エネルギー量も変らないと思います。

    しかしグラフが正しいと仮定すると、、、

    容量値を限りなく小さくすれば、電力も限りなく増大することになりますが、(数式を無視した)直感的にはあり得ない気がしますが、当方が大バカなのでしょうか???

  • In reply to ビシ:

    「可変容量コンデンサなら、容量値を絞って小さくすることでコンデンサにチャージされているエネルギーを増大させることができます」この根拠がわかりません、「小さいコンデンサに電荷を貯めた方が指数関数的にエネルギーが増えることがわかります」これもよくわかりません、ビシ さんと同じことかもしれませんが、小さい容量のコンデンサはすぐにいっぱいになるので、電圧がすぐに上がります、抜けるのも早いわけで、貯められる電力容量が小さいわけですので、エネルギーは小さくなります、このグラフの意味がよくわかりません?Kirin さんのことですから、そんなことを言いたいがために投稿されたのではないのでしょう、錬金術ですから

  • In reply to IKUZO:

    Kirinさん。ビシ ビシさん。IKUZOさん。

    ESDの重要な部分です。机の上に置いたトレーを不用意に持ち上げると、電荷が一定で容量が減るので、電圧とエネルギが上がってICが壊れることがあります。持ち上げるという仕事が電気のエネルギに変わっただけで総エネルギー量は増えていないと私は理解してます。容量を下げるのに何かエネルギが必要と言うことです。マグロウヒル社のエレクトロニクスの静電気対策(O.J.マッカーター著、村崎憲雄ほか訳)に書かれていたように記憶してます。

  • In reply to kijo:

    追加で、、。プールの面積>コンデンサ容量   プールの水位>電圧   総水量>エネルギー≒電荷  は少し違うように思えます。コンデンサは2個の電極に蓄えられた電荷で考えます。電荷の周辺には電界があって、ポテンシャルがあります。中学の理科にあったと思いますが、電界に逆らって電荷を動かすには仕事が必要です。また、コンデンサーに関わらず、エネルギと電荷はかなり違います。高校の物理で運動量とエネルギと同様にひっかけ問題になってます。中高どころか大学以降の電磁気の教科書も処分してしまったので、ビシ ビシさんの方で確認してください。

  • In reply to kijo:

    Kirinさん
    コンデンサのエネルギーは電荷の数と電位差で決まると認識しています。
    可変容量コンデンサ(?詳しくわかっていません)の総容量が外部から制御可能だとすれば、コンデンサとしてのエネルギー総量は変えることができると思いますが、そもそも電荷の総量としては変わっていないので保持エネルギーとしては変わらないのでは?
    電荷量を制御できるものなのでしょうか。

    kijoさん
    エネルギーは持ちうる量で、仕事量は作用に働く量だったと思います。コンデンサが持つエネルギーがどれだけ作用するかは電荷・電場も考慮すべきかもしれませんが、今回は持ちうる量の話のようなので、ビシさんの例えも強ち間違いではない気がします。

    実際問題、効率が悪くではいくらエネルギーが大きくても意味はないのですが...

  • In reply to Kon Nozomu(すと):

    このスレッドは、「可変容量コンデンサ(?詳しくわかっていません)の総容量が外部から制御可能」の前提です。「電荷の総量」は変化しないも前提条件です。

    電荷量を保って、容量を下げるのだから、引き付けあう電極を、その力に逆らって遠ざけるので、何らかの仕事をしています。コンデンサ内部だけでは考えられません。面積を小さくする場合にでも、電極をスライドさせるようなことになり結局は力に逆らって仕事をしていると考えられます。電荷を一定にして容量を減らせばコンデンサに蓄えられたエネルギは変化します。ESDの観点からきわめて重要な話です。

    逆に、1Fに2Vでチャージしたコンデンサと2Fに1Vでチャージしたコンデンサをショートさせます。1[F]*2[V]=2[c]、1/2*1[F]*2[V]*2[V]=2[J]と2[F]*1[V]=2[c]、1/2*2[F]*1[V]*1[V]=1[J]です。合成容量は1[F]+2[F]=3[F]で、総電荷は一定なので、(2[c]+2[c])/3[F]=1.33[V]、1/2*3[F]*1.33[V]*1.33[V]=2.67[J]となり、2[J]+1[J]-2.67[J]=0.33[J]エネルギが減ってしまいます。長岡(ラザフォード)モデルの問題点として、「荷電粒子が加速度運動をすると電磁波を放出してエネルギを失う」と言う電磁気学との矛盾がありました。これを解決したのが、ボーアの条件で、ここまでが高校物理の範囲です。ボーアの条件はかなりの頻度でセンター試験に出るそうです。コンデンサの充放電にボーアの条件は無関係ですが、電磁気学の総電荷量は変化しなくても電荷(電子)の移動で電磁波としてエネルギが失われることは大きくかかわります。なぜ、電磁気学の重要なことを近代物理学で学習するのでしょうかね?

    中高の理科の範囲で書くようにしてます。従って、寄生素子の話は抜いてます。ウラをとってません。間違えがあるかもしれません。それぞれで確認してください。「そもそも電荷の総量としては変わっていないので保持エネルギーとしては変わらないのでは?」および「エネルギー≒電荷」に誤りがあることは、上記の例から確信してます。

  • In reply to kijo:

    感覚的に電荷の数で仕事量が決まりそうな気もしますけれども、、
    不思議ですよね。
    電荷の量は変っていないのに、公式の上では、電圧が高くなるだけで仕事量が増えるなんて!

    そういえば、
    「コンデンサの容量を増やすとエネルギーが減る」という問題が電験3種(H14問9)とかに出題されていますけれども、
    (スイッチOFF時は11.25[J]、スイッチONで7.5[J])
    このスレッドのテーマはこの逆で、コンデンサの容量を減らすとエネルギーが増えるというものです。

    可変容量コンデンサは、

    • 物理的にコンデンサの電極間の距離を変化させる
    • 電解液等の誘電率を動的(電気的・科学的)に変化させる
    • 電極間の誘電体そのものを物理的に交換する

    など手段は選びません。
    上記の操作をするエネルギーよりも、コンデンサ容量が減ることにより増えたエネルギーの方が多ければ錬金術になるということころがミソです。
    エントロピー的には、電験の問題みたいにエネルギー量を減らすのは簡単ですけれども、増やすのには何か工夫がいるのかなと思います。

    PS
    kijoさん解説ありがとうございます。

    ピエゾ素子っぽい動きをイメージするといいのかな。

  • In reply to Kirin:

    スレッドの問いかけは、まだまだ思いつきの段階です(実現できたら面白いな、のレベル)

    試験場の雷サージ試験は20uF/4KVとかですけれども、損失がなければ80mF/1Vから作れそうです。

    KijoさんのESDの話を聞いていて、数千ボルトまで昇圧してしまうと、
    コンデンサのリーク電流や空中放電が無視できなくなることに気づきました。
    現実的には数十ボルト程度にとどめておくのがいいのかもしれませんね。

    PS
    「マグロウヒル社のエレクトロニクスの静電気対策」は、8000円かぁ。良いお値段だ。
    もらったアマゾンのクーポンで腕時計買っちゃったし。。。

  • In reply to Kirin:

    自ら命を絶とうとは思いませんが、生きていることに執着がなくなってきて身辺整理を進めてます。ごみとして処分した書籍が多くあります。ソフトウエア系の書籍や開発ツールはロボット工学に進んだ甥っ子にあげてしまいました。半導体系の書籍はあげてもあまり喜んでくれる人がいないのと、著者への敬意から捨てられず手元に残ったものがあります。エレクトロニクスの静電気対策もそういった一冊です。かふぇるねでの匿名性は保持したいので、カフェるねアドミあるいは営業さんが仲介可能なら差し上げますよ。

  • In reply to kijo:

    Kijoさんありがとうございます!
    お言葉に甘えて、本いただけるなら、いただきます。

    さぁどうしよう、中に人に相談できるのかな? って書き込んでおけばAdministratorさんからメッセージもらえるかな。
    Inboxは開けてあるので、よろしくお願いします。

    PS
    お礼に今度一緒にランチでも!

  • In reply to Kirin:

    kijo さん

    さびしいこと言わないで、あなたを生かすためにどれほど多くの生き物があなたを応援しているのですから、命は大切にしてください、生きていればきっといいことありますよ、なにか色々作って楽しんでみては、もし介護などで悩んでいるなら、だれでもいいから、相談してみては

  • In reply to IKUZO:

    kijoさん

    あまり、さみし事言わないでください。

    小職は、間もなく60歳になりますが、「生涯現役」を心して、やれることは何でも挑戦しています。

    周りに、ご迷惑をおかけしているかも(たぶん、邪魔!)とは、思っておりますが、「邪魔なら邪魔にしてくれ!」精神で

    死ぬまで、やれなくなるまで、この仕事は続けるつもりです。

    kijoさん、こんな輩が言うのもなんですが、お悩みがあれば、この場でも発散されてはいかがでしょうか?

  • In reply to Jin:

    マルツで売っている圧電モジュール「振力電池」で実験すると、

    1.3Kgの押力×ストローク1mm(13mJ)で公称200uJのエネルギーが取りだせます。
    (ボタンを押す仕事量の65分の1が電気エネルギーに変換)
    圧電素子は80Vppくらい振幅があるので、なるべく小さなコンデンサで受けた方がコンデンサにチャージできる電圧が高くなるので、エネルギー量も増えます。

    ちなみに、一回ボタンを押すと30uCくらい電荷が出てきますけれども、
    コンデンサが小さすぎると、電圧が高くなりますけれども、コンデンサが80Vまで達してしまうと、それ以上チャージできませんし、
    逆にコンデンサが大きすぎると電圧がほとんど上がず、結果的にエネルギー量が少なくなります。

    こーゆー実務的な話をしている方がKijoさん生き生きとしますよねー♡

  • In reply to Kirin:

    たぶん、感覚的に仕事量の計算式に違和感があるのは、
    DCDCコンバータとかだと、変換効率100%なら
    入力側の電力(入力電圧×入力電流)=出力側の電力(出力電圧×出力電流)なので、
    電圧の違いは関係ないからなんですかね。

    電力の式 P=VxI[W] では、電圧は一乗できいてくるのに対して、
    仕事量の式 U=0.5xCxVxV[J] では電圧が二乗できいてきます。
    でも、 P= VxI = VxV÷Rって書き換えると、電力も電圧の2乗になるので指数関数的になるんですよね。

    スペアナとか50Ω系の測定器を使う時は、絶対定格を超えないように信号の振幅電圧に注意が必要ですし、、、
    なんか物理量の説明ってむずかしいですねー。

  • In reply to Kirin:

    この場合電圧の高い方がエネルギー量があるという意見ですよね

    変化を及ぼすのは確かに電圧の高い方、ただ総量は変化はないです

    低い電圧でも何か仕事をさせた場合長く動作できるので、同じこと?

    ですから1000KVの雷を1.5Vに100%で変換できるとしたら、

    その電池は10年ぐらいつかえるかも?

    可変バリアブルコンデンサ、バリコンですが500pぐらいならありますよ、

    そこに静電気をため込んで実験できると思いますよ、

    どうやってエネルギーを測定するのかですが

    そうそう、回路シミュレータという方法が