電子回路は、今日の私たちの生活の中で行われているほぼすべての技術的進歩の不可欠な部分です。テレビ、ラジオ、電話、コンピューターがすぐに思い浮かびますが、電子機器は自動車、台所用品、医療機器、産業用制御装置にも使用されています。これらのデバイスの中心にあるのは、アクティブコンポーネント、または半導体のように電子の流れを電子的に制御する回路のコンポーネントです。ただし、これらのデバイスは、半導体を何十年も前から使用していたはるかに単純な受動部品なしでは機能しません。アクティブコンポーネントとは異なり、抵抗、コンデンサ、インダクタなどのパッシブコンポーネントは、電子信号で電子の流れを制御できません。
抵抗
その名前が示すように、抵抗器は回路内の電流の流れに抵抗する電子部品です。
導電率が高いため抵抗率が低い銀や銅などの金属では、電子は抵抗がほとんどなく、原子間を自由に飛ぶことができます。
ジョージア州立大学の物理学および天文学科が主催する物理リソースのウェブサイトであるHyperPhysicsによると、回路コンポーネントの電気抵抗は、そこを流れる電流に対する印加電圧の比率として定義されます。抵抗の標準単位はオームで、ドイツの物理学者ゲオルクサイモンオームにちなんで名付けられました。これは、1ボルトで1アンペアの電流が流れる回路の抵抗として定義されます。抵抗は、オームの法則を使用して計算できます。オームの法則では、抵抗は電圧を電流で割った値、またはR = V / I（一般的にV = IRと表記）であり、Rは抵抗、Vは電圧、Iは電流です。
抵抗器は一般に固定または可変のいずれかに分類されます。固定値抵抗器は、規定された電流および電圧の制限内で常に同じ抵抗値を持つ単純な受動部品です。これらは、1オーム未満から数百万オームまでの幅広い抵抗値で利用できます。
可変抵抗器は、ボリュームコントロールや調光器スイッチなどの単純な電気機械デバイスであり、ノブを回したり、スライドコントロールを動かしたりすると、抵抗器の有効長または有効温度が変化します。
インダクタンス
インダクターは、電流が流れるワイヤーのコイルで構成された電子部品であり、磁場を生成します。インダクタンスの単位はヘンリー（H）で、イギリスの物理学者マイケルファラデーとほぼ同時に独立してインダクタンスを発見したアメリカの物理学者、ジョセフヘンリーにちなんで名付けられました。 1つのヘンリーは、電流が1アンペア/秒で変化しているときに1ボルトの起電力（エネルギー源からの電気圧力）を誘導するために必要なインダクタンスの量です。
アクティブ回路でのインダクタの重要な用途の1つは、低周波の発振を通過させながら高周波信号を遮断する傾向があることです。これはコンデンサの反対の機能であることに注意してください。回路内の2つのコンポーネントを組み合わせると、ほぼすべての望ましい周波数の発振を選択的にフィルタリングまたは生成できます。
マイクロチップなどの集積回路の出現により、3Dコイルを2Dプリント回路で製造することは非常に困難であるため、インダクターは一般的ではなくなりました。このため、コロラド大学ボルダー校の物理学教授であるマイケルダブソンによると、マイクロ回路はインダクタなしで設計され、代わりにコンデンサを使用して基本的に同じ結果を達成します。
キャパシタンス
静電容量はデバイスが電荷を蓄積する能力であり、そのため、電荷を蓄積する電子部品はコンデンサと呼ばれます。コンデンサの最も初期の例は、ライデン瓶です。この装置は、ガラス瓶の内側と外側を覆う導電性フォイルに静電荷を蓄えるために発明されました。
最も単純なコンデンサは、小さなギャップで分離された2つの平らな導電板で構成されています。プレート間の電位差または電圧は、プレートの電荷量の差に比例します。これは、Q = CVとして表されます。ここで、Qは電荷、Vは電圧、Cは静電容量です。
コンデンサの静電容量は、電圧の単位あたりに保存できる電荷量です。静電容量の測定単位はファラデー（Faraday）と呼ばれるファラッド（F）であり、1ボルトの印加電位で1クーロンの電荷を保存する容量として定義されます。 1クーロン（C）は、1秒に1アンペアの電流によって転送される電荷の量です。
効率を最大化するために、コンデンサプレートは層状に積み重ねられるか、コイル間に巻かれ、その間に非常に小さなエアギャップがあります。誘電体材料-プレート間の電界を部分的に遮断する絶縁材料-がエアギャップ内でよく使用されます。これにより、プレートはアーク放電やショートすることなく、より多くの電荷を保存できます。
コンデンサは、ラジオやオーディオ機器などの振動電気信号を使用するアクティブな電子回路によく見られます。ほぼ瞬時に充放電できるため、回路内の特定の周波数を生成またはフィルタリングするために使用できます。振動信号は、コンデンサの一方のプレートを充電しながら、もう一方のプレートが放電し、電流が逆転すると、最初のプレートが放電している間に、もう一方のプレートを充電します。
一般に、高い周波数はコンデンサを通過できますが、低い周波数はブロックされます。コンデンサのサイズによって、信号が遮断または通過するカットオフ周波数が決まります。コンデンサを組み合わせて使用すると、指定された範囲内の選択された周波数をフィルタリングできます。
スーパーコンデンサは、ナノテクノロジーを使用して製造され、グラフェンなどの材料の超薄層を作成して、同じサイズの従来のコンデンサの10〜100倍の容量を実現します。ただし、応答時間は従来の誘電体コンデンサよりもはるかに遅いため、アクティブ回路では使用できません。一方、コンピュータのメモリチップなどの特定のアプリケーションでは、主電源が切断されたときのデータ損失を防ぐために、電源として使用できる場合があります。
コンデンサは、カリフォルニアに拠点を置く企業であるSiTimeによって開発されたものなど、タイミングデバイスの重要なコンポーネントでもあります。これらのデバイスは、携帯電話から高速列車、株式市場での取引まで、さまざまなアプリケーションで使用されています。 MEMS（マイクロエレクトロメカニカルシステム）として知られるこの小さなタイミングデバイスは、コンデンサーに依存して適切に機能します。 「共振器に適切なコンデンサと負荷容量がない場合、タイミング回路は確実に起動せず、場合によっては完全に発振を停止します」と、SiTimeのマーケティング担当副社長であるPiyush Sevaliaは述べています。
この記事は、Live Scienceの寄稿者Rachel Rossによって2019年1月16日に更新されました。
