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高校物理の電磁気分野、ダイオードについて質問です。 よく参考書などで「ダイオードはスイッチと見做せる」という記述を目にしますが、実際はダイオードは電流を流していなくても電位差を生じていると思うんですが、この認識は合ってますか?
スイッチは開いている時、電流は0になり電圧も可変的になるので式の立てようがなくなる。一方でコンデンサーやダイオードは電流が流れていなくても電位差は生じるので式を立てられる、という考えは合ってるんでしょうか。

A 回答 (6件)

逆電圧が加わったダイオードは


OFFのスイッチとほぼ同等だよ。

タイオードは逆電流がほんの僅かだけ変わっただけで電圧は
まるで変わってしまう。コンデンサとはまるでちがう。
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> 実際はダイオードは電流を流していなくても電位差を生じていると思うんですが、



因果関係が逆です。

まずダイオードがない、として考えます。
ダイオードに加わる電圧が順方向であるのか、逆方向になるのかを考えます。
順方向であれば電流が流れます。ダイオードの部分はショートして考えます。ダイオードの電極間に電位差は生じません。
加わる電圧が逆方向になるのであればダイオードに電流は流れません。回路においてダイオードの部分はオープンということになり、ここには何の回路も存在しないということで良いのです。

むつかしいことはないでしょ。最初に、電圧が順方向に加わるのか、逆方向になるのかを考えれば良いのです。
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>この認識は合ってますか?



違ってます。
電流が流れるから電位差を生じるのです。

何の式か分かりませんが、どんな状態でも電流式は立てられます。
で、ある条件ではその式の解である電流がゼロになるのです。
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No.1 です。

ちょっと質問の趣旨を正しく把握できていませんでした。

「理想的なダイオード」と「現実のダイオード」の違いの話ではなく、
「ダイオードとコンデンサーの違い」ですかね。

ダイオードは、「時間に依存しない特性」で、「導通したら、その瞬間から導線として電流を流す」「非導通になれば、その瞬間から電流はゼロとなり、両端に印加電圧がそのままかかる」という特性です。

これに対して、コンデンサーは「初期状態から平衡状態までの過渡変化」が存在します。「過渡変化中」と「平衡状態」では現象が変わります。
つまり「電荷がゼロの状態」から直流電圧をかけると、一定の電荷がたまるまで電流が流れます。この電荷の移動(正確にいえば「単位時間の電荷の移動量」)が「電流」です。十分な時間が経つと(つまり平衡状態になると)、印加した電圧がかかった状態で電流がゼロになります。
ここで回路のスイッチを切る、回路を「開放」にすると、電荷は移動できないので、コンデンサーには電荷がたまった状態、つまり電圧がかかった状態で、電流は流れない状態になります。
もしそこで「閉回路を作る」ことをすれば、回路の条件に応じてコンデンサーの電荷が移動します。その「単位時間の電荷の移動」が「電流」になります。
このように、コンデンサーでは、「直流」に対しては「変化」(回路のスイッチのON/OFF)から一定時間は「過渡変化」、十分な時間経過後は「平衡状態」として動作します。

これに対して、コンデンサーに「交流」電圧をかけた場合には、この「過渡状態」が朱記的に繰り返されることになるので、コンデンサーには周期的な「交流電流」が流れることになります。あたかも、回路的には「切れて」いるはずのコンデンサーを通過して電流が流れるような現象になります。

ダイオードは、直流でも交流でも同じ動作をします。
ダイオードに「交流」電圧をかければ、「順方向」のときには「導通」、「逆方向」のときには「開放」(回路が切れいている)状態となるので、「順方向」のときだけ電流が流れます。つまり「半波整流」された電流が流れることになります。
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「スイッチは開いている時、電流は0になり電圧も可変的になる」というのは、「スイッチは開いている時、電流は0になり、外部回路で決まる電圧をそのまま両端で保持する」という意味だと解釈します。


オフ状態のダイオードにはリーク電流がわずかに流れますが、実質無視できる程度です。このため、スイッチの場合と同様に、外部回路で決まる電圧を保持すると考えれば良いのです。もっとも、ダイオードの能力(降伏電圧)以上の電圧が加わると、降伏電流が流れます。それが継続すると発熱して壊れます。
コンデンサの場合には、リーク電流は無いと見なし得るので、スイッチと同じになります。もっとも、交流電圧が加わると、変位電流が流れます。
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現実の特性をもったダイオードを扱うのか、「理想的」な特性をもったダイオードを扱うのかで話が変わります。



高校物理の、特に「テスト」で扱うのは、「理想的な特性」だと思います。
つまり
・順方向には「何も存在しない」(ただの導線)
・逆方向には「断線」している(一切電流が流れない)
ということで、それを「スイッチ」に置き換えているのだと思います。

なお、誤解があるかもしれないので言っていきますと、「電流を流していなくても電位差が生じる」のは「スイッチ」だろうが「開放回路」だろうが同じです。「抵抗が無限大」ということですから。
抵抗が有限であれば、その分の「電流」が流れてそれに見合った「電圧降下」が発生します。
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