静電容量の概要「静電容量とは？」
誘電率の概要「誘電率とは？」
電極形状による測定容量について
各物質の誘電率表

 

静電容量の概要「静電容量とは？」

静電容量とは、「電気エネルギーの貯蔵容量」といえるものです。
静電容量は、絶縁された導体間（離されて配置された２つの導電体間）において、どの程度の電荷が蓄えられるかを表す量を意味します。英語ではキャパシタンス（capacitance）と呼ばれています。水に例えますと、ある水位（電圧V）においてどれだけの水量（電荷Q）を蓄えられるかという貯蔵量を表すものです。

前述しました様に、空間に配置された二つの導電体の間には必ずこの静電容量が作られます。
その静電容量の値は、二つの導電体の距離と形状、導電体の間の空間の性質によって決定されます。例えば、下記の様に金属性の板（＝導電体）を平行にし電圧を加えると静電容量を形成します。

静電容量の記号と単位について

静電容量の記号はC（キャパシタンスのCです）、単位はファラッド（F）を使用します。
但し、実際には、

ピコファラッド（pF）＝1ファラッドの1兆分の1
マイクロファラッド（μF）＝１ファラッドの100万分の1

という単位が用いられます。当社の製品カタログに記載されている静電容量の値の単位もpFです。

空気の誘電率（1.0）が水の誘電率（80）に変化すれば、静電容量Cが変化し、水が貯蔵された事が判明する訳です。それでは、各物質が持っている「誘電率」とはどのようなものでしょうか？

静電容量式のレベル検出に必要な誘電率の簡単な説明を以下に行います。

 

誘電率の概要「誘電率とは？」

誘電率（比誘電率）とは、気体、液体、固体を問わず、絶縁性物質の持つ基本的な電気的定数です。各物質は固有の誘電率を持っており、誘電率の値は外部から電場を与えたとき各物質の中に存在している電子がどのように応答するかによって決まっています。
また、誘電率は絶縁性物質の定数なのですが、導電性のある物質が対象外という訳では有りません。半導体は誘電率を持ちますし、一見導電性と思われる物質の中にも誘電率を有することがあります。
導体と絶縁体の電気的作用の違いは、自由電子（金属内を自由に移動できる電子）の存在の違いによるものです。絶縁体には自由電子が存在しない為に電気を流すことができませんが、この絶縁体を電界内に置くと、電子分極という現象が発生し、この分極の強弱が比誘電率の差となります。この現象が結果として静電容量の変化となって現れます。

少し難しい話が続きましたが、真空では誘電率は1.0（空気の場合は約1.0）、水の場合は約80の誘電率を有しています。
※導電性物質は誘電率が大きく、絶縁性物質は誘電率が小さくなります。
※一部の物質は状態（粉体〜塊体など）や環境によって誘電率が変化することがあります。

下記に記載されています様に様々な物質（測定物）がそれぞれ固有の誘電率を持っています。

代表的な物質の誘電率

下記に代表的な物質の比誘電率を紹介いたします。

空気の比誘電率　　1.000586
水の比誘電率　　80
紙の比誘電率　　2.0〜2.5

※比誘電率とは、誘電率εと真空の誘電率ε0の比 （ε/ε0）を意味しています。

どのような絶縁性物質も必ず真空より大きな誘電率を有しているため、静電容量測定を通じた誘電率の測定により、様々な物質（測定物）の有無や量は勿論、成分、混合比、濃度等を計測できる訳です。

静電容量と誘電率を活用することにより、様々な物質のレベル検知やレベル計測が可能になります。

各物質（測定物）の誘電率の詳細はこちらをご参照下さい。

 

電極形状による測定容量について

第１章で説明しました金属性の板（導電体）の間に介在する物質の性質によっても静電容量は変わりますが、金属板の面積や金属板間の距離を変える事によっても静電容量は変わります。

金属板の面積を1／2にすれば静電容量も1／2になり面積を2倍にすれば静電容量も2倍になります。従って、静電容量が導体問の関係によって決定されることから、簡単な形状については静電容量を求める式が公式化されています。

下記に4種類の電極における静電容量Cを求める式を記載します。

当社では豊富な実績とノウハウにより、測定物及び計測の環境に合わせたセンサー電極を設計いたします。