ファラドのソースを表示

{{単位
|名称=ファラド
|英字=farad
|記号=F
|単位系=SI
|種類=組立単位
|物理量=[[静電容量]]
|組立=C/V
|定義=1&nbsp;Cの電気量を充電したときに1 Vの直流の電圧を生ずる2導体間の静電容量
|語源=[[マイケル・ファラデー]]
|画像=[[File:Capacitors_Various.jpg|250px]]<br />各種のコンデンサ
}}
[[File:OneFarad5.5Velectrolyticcapacitor.jpg|150px|thumb|静電容量1ファラドの[[電気二重層コンデンサ]]]]

'''ファラド'''（{{lang-en-short|farad}}、記号: '''F'''）は、[[コンデンサ]]（キャパシタ、キャパシタンス、蓄電器）などの[[静電容量]]の[[物理単位|単位]]（[[SI組立単位]]）である。名称は[[マイケル・ファラデー]]に由来するものである（なお、同じくマイケル・ファラデーに由来する[[ファラデー (単位)|ファラデー]]という単位があるが、これは[[電荷]]の単位である）。
== 定義 ==
1ファラドは、「1[[クーロン]](C)の[[電気量]]を充電したときに1[[ボルト (単位)|ボルト]](V)の[[直流]]の[[電圧]]を生ずる2導体間の静電容量」（[[計量単位令]]による）と定義される<ref>{{Cite web|和書|url=https://laws.e-gov.go.jp/law/404CO0000000357#77 |title=計量単位令（平成四年政令第三百五十七号）別表第1（第2条関係）38（静電容量） |date=基準日|quote=2017年4月1日時点での施行分|website=e-Gov法令検索|accessdate=2019-12-30}}</ref><ref>{{cite book|title=The International System of Units (SI)|date=2006|publisher=Bureau International des Poids et Mesures (International Committee for Weights and Measures)|page=144|url=http://www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8_en.pdf|edition=8th}}</ref>。言い換えると、「1ファラドは1ボルトの電位差により1クーロンの電荷を充電できる静電容量」となる<ref>{{cite book|title=Dictionary of Science and Technology|date=1995|publisher=Larousse|isbn=0752300105|editor=Peter M B Walker}}</ref>。

静電容量・電荷・電位差の関係は線形である。コンデンサの中の電位差が半分になれば、そのコンデンサで充電される電荷の量も半分になる。

[[SI基本単位]]で組み立てると、
:F = C/V = [[メートル|m]]{{sup-|2}}&middot;[[キログラム|kg]]{{sup-|1}}&middot;[[秒|s]]{{sup|4}}&middot;[[アンペア|A]]{{sup|2}}
となる<ref>{{PDFlink|[https://www.nmij.jp/library/units/si/R8/SI8J.pdf 国際文書 国際単位系 (SI) 第 8 版日本語版 (2006)]}} p. 29。</ref>。

他の組立単位では、以下のように表せる。
:<math>\mbox{F}
= \,\mathrm{\dfrac{\mbox{C}}{\mbox{V}}
= \frac{A \cdot s}{V}
= \dfrac{\mbox{J}}{\mbox{V}^2}
= \dfrac{\mbox{W} \cdot \mbox{s}}{\mbox{V}^2}
= \dfrac{\mbox{C}^2}{\mbox{J}}
= \dfrac{\mbox{s}^2 \cdot \mbox{C}^2}{\mbox{m}^{2} \cdot \mbox{kg}}
= \dfrac{\mbox{s}^4 \cdot \mbox{A}^2}{\mbox{m}^{2} \cdot \mbox{kg}}
= \dfrac{\mbox{C}^2}{\mbox{N} \cdot \mbox{m}}
= \dfrac{\mbox{s}}{\Omega}}
= \dfrac{\mbox{s}^{2}}{\mbox{H}}
</math>

ここで、Fはファラド、Aは[[アンペア]]、Vは[[ボルト (単位)|ボルト]]、Cは[[クーロン]]、Jは[[ジュール]]、mは[[メートル]]、Nは[[ニュートン (単位)|ニュートン]]、sは[[秒]]、Wは[[ワット]]、kgは[[キログラム]]、Ωは[[オーム]]、Hは[[ヘンリー (単位)|ヘンリー]]である。これらの組立単位による表し方は、以下のように説明できる。
; <math>\mathrm{F=\dfrac{C}{V}=\dfrac{A \cdot s}{V}}</math>
: コンデンサの静電容量 {{Mvar|C}} は、コンデンサに蓄えられる電荷量 {{Mvar|Q}} とコンデンサにかかる電圧 {{Mvar|V}} を用いて <math>C=\frac{Q}{V}</math> と表され、 <math>\mathrm{F=\frac{C}{V}}</math> を導ける。コンデンサに蓄えられる電荷量 {{Mvar|Q}} は、電流 {{Mvar|i}} を時間で積分したものであり、分子の <math>\mathrm{C}</math> は、<math>\mathrm{A \cdot s}</math> と変換できる。
; <math>\mathrm{F=\dfrac{J}{V^2}=\dfrac{W \cdot s}{V^2}}</math>
: コンデンサが蓄えるエネルギー {{Mvar|W}} を、静電容量 {{Mvar|C}} と加わる電圧 {{Mvar|V}} で表すと <math>W=\frac{1}{2}CV^2</math> であり、<math>\mathrm{J=F\cdot V^2}</math> を導ける。
; <math>\mathrm{F=\dfrac{C^2}{J}=\dfrac{s^2 \cdot C^2}{m^{2} \cdot kg}=\dfrac{s^4 \cdot A^2}{m^{2} \cdot kg}}</math>
: コンデンサが蓄えるエネルギー {{Mvar|W}} を、静電容量 {{Mvar|C}} と蓄えられる電荷量 {{Mvar|Q}} で表すと <math>W=\frac{Q^2}{2C}</math> であり、<math>\mathrm{J=\frac{C^2}{F}}</math> が導ける。エネルギーの単位であるジュールは <math>\mathrm{\frac{m^{2} \cdot kg}{s^2}}</math> と変換でき、さらに <math>\mathrm{C}</math> は <math>\mathrm{A \cdot s}</math> と変換できる。
; <math>\mathrm{F=\dfrac{C^2}{N \cdot m}}</math>
: 電束密度 {{Mvar|D}}、電場の強度 {{Mvar|E}} について、誘電率 {{Mvar|&epsilon;}} は <math>\epsilon =\frac{\partial\boldsymbol{D}}{\partial\boldsymbol{E}}</math> で定義される。これより <math>\mathrm{F=\dfrac{C^2}{N \cdot m}}</math> を導ける。
; <math>\mathrm{F=\dfrac{s}{\Omega}}</math>
: コンデンサのインピーダンス {{Mvar|Z<sub>C</sub>}} は、[[角周波数]]を {{Mvar|&omega;}}、静電容量を {{Mvar|C}} として <math>Z_{\mathrm C}=\frac{1}{{\mathrm j}\omega C}</math> と表せ、<math>\mathrm{\Omega=\dfrac{1}{1/s \cdot F}}</math> を導ける。ここで、<math>\mathrm j</math> は[[虚数単位]] を表す。
; <math>\mathrm{F=\dfrac{s^{2}}{H}}</math>
: [[真空の誘電率]] {{math|''&epsilon;''{{sub|0}}}} は、[[真空の透磁率]] {{math|''&mu;''{{sub|0}}}}、[[光速]] {{mvar|c}} との間に <math>\epsilon_0=\frac{1}{\mu_0c^2}</math> の関係があり、<math>\mathrm{F=\dfrac{s^{2}}{H}}</math> を導ける。

== 使用される範囲 ==
{|class=infobox
|-
|{{SI multiples
|symbol=F
|unit=ファラド
|note=よく使われる単位を太字で示す
|m=|mc=|n=|p=
}}
|}
ほとんどの用途において、ファラドは静電容量の単位としては大きすぎる。電子回路などに[[受動素子]]として用いられる一般的なコンデンサの静電容量を示すためには、[[ピコ]](p)や[[マイクロ]](&mu;)といった[[SI接頭語]]をつけた小さな単位がよく用いられる。

* 1&nbsp;mF（ミリファラド、{{10^|−3}}ファラド）
* 1&nbsp;&mu;F（マイクロファラド、{{10^|−6}}ファラド）
* 1&nbsp;nF（ナノファラド、{{10^|−9}}ファラド）
* 1&nbsp;pF（ピコファラド、{{10^|−12}}ファラド）

かつては1Fなどの非常に大きな静電容量を持つ製品は存在しなかったが（多くてもアルミ電解コンデンサの数万 &mu;F = 数十 mF）、1990年代には1 Fといった容量を持つ[[電気二重層コンデンサ]]が使われるようになった。電気二重層コンデンサは2010年代には数Fの素子や、用途によっては1 kFといった巨大な容量を持つものも存在するようになった<ref>{{Cite web|url = http://www.elna.co.jp/capacitor/pdf/catalog_15_16_j.pdf|title = Electronic Components High Quality CAPACITORS|accessdate = 2015-08-22|publisher = [[エルナー株式会社]]|format = PDF}}</ref>。ただし、このような大容量の素子は、[[電子回路]]における受動素子としてではなく、もっぱら[[二次電池]]の代用としてバックアップ電源（小は機器内のメモリー内容のバックアップから大は[[無停電電源装置]]用）や電動[[フォークリフト]]、[[ハイブリッドカー]]の動力用など電力の貯蔵に使われている。

== 歴史 ==
「ファラド(farad)」という言葉は元々、1861年に[[ジョサイア・ラティマー・クラーク]]と{{仮リンク|チャールズ・ティルストン・ブライト|en|Charles Tilston Bright}}が作った造語であるが、彼らはファラドを電荷の単位とすることを提案していた。1881年にパリで開かれた[[国際電気会議]]で、ファラドを静電容量の単位の名称とすることが決定した<ref>{{cite book|last1=Tunbridge|first1=Paul|title=Lord Kelvin : his influence on electrical measurements and units|date=1992|publisher=Peregrinus|location=London|isbn=9780863412370|pages=26, 39-40|url=https://books.google.co.uk/books?id=bZUK624LZBMC|accessdate=5 May 2015}}</ref>。

== 解説 ==
コンデンサは2つの電気伝導体平板から成り、2つの伝導体は[[誘電体]]と呼ばれる絶縁層によって切り離されている。コンデンサの原型は、18世紀に開発された[[ライデン瓶]]だった。伝導体への電荷の蓄積が[[静電容量]]となる。最大耐圧数ボルトから数キロボルトまで、静電容量がフェムトファラドからファラドまでにわたる、電気・電子工学で使われる非常に広い範囲の需要に応じるために、コンデンサは様々な製造法と材料によって製造される。

コンデンサの値は、通常ファラド(F)、マイクロファラド（&mu;F）、ナノファラド（nF）、ピコファラド（pF）で指定される<ref name="Braga">{{cite book |title=Robotics, Mechatronics, and Artificial Intelligence |last=Braga |first=Newton C. |year=2002 |accessdate=2008-09-17 |publisher=Newnes |page=21 |url=https://books.google.co.jp/books?id=yqb-f-HKem0C&pg=PA21&q=microfarad+common+measurement&redir_esc=y&hl=ja |isbn=0-7506-7389-3 |quote=Common measurement units are the microfarad (&mu;F), representing 0.000,001 F; the nanofarad (nF), representing 0.000,000,001 F; and the picofarad (pF), representing 0.000,000,000,001 F.}}</ref>。ミリファラド(mF)はまれにしか使われない（例えば、4.7&nbsp;mF（0.0047&nbsp;F）の静電容量は、4700&nbsp;&mu;Fと書かれる）<ref>{{cite book |title=Make: Electronics: Learning Through Discovery |last=Platt |first=Charles |year=2009 |accessdate=2014-07-22 |publisher=O'Reilly Media |page=61 |url=https://books.google.co.jp/books?id=PQzYdC3BtQkC&pg=PA61&dq=nanofarad&redir_esc=y&hl=ja |isbn=9781449388799 |quote=Nanofarads are also used, more often in Europe than in the United States.}}</ref>。市販のコンデンサの容量は、0.1&nbsp;pFのあたりから5000&nbsp;F（5&nbsp;kF）の[[電気二重層コンデンサ]]（スーパー・キャパシタ）まである。高性能[[集積回路]](IC)の[[寄生容量]]はフェムトファラド（1&nbsp;fF = 0.001&nbsp;pF = {{10^|-15}}&nbsp;F）の単位で計測される。高性能の試験装置は、10 aF（= {{10^|−17}}&nbsp;F）のオーダーで静電容量の変化を検出できる<ref>{{cite book |title=Analog MOS Integrated Circuits for Signal Processing |last=Gregorian |first=Roubik |year=1976 |publisher=John Wiley & Sons |page=78}}</ref>。

0.1&nbsp;pFは、電気・電子工学の設計で一般的に使われる最も小さい値である。それより小さい値は、他の構成要素や配線、プリント配線に乗る[[寄生容量]]に支配されてしまう。1&nbsp;pF以下の静電容量値は、短い2本の絶縁ワイヤをよることによって得ることができる<ref>{{cite web |title=What's All This Femtoampere Stuff, Anyhow? |url=http://electronicdesign.com/test-amp-measurement/whats-all-femtoampere-stuff-anyhow |last=Pease |first=Bob |authorlink=Bob Pease |publisher=Electronic Design |date=2 September 1993 |accessdate=2013-03-09}}</ref><ref>{{cite web |title=What's All This Best Stuff, Anyhow? |url=http://electronicdesign.com/analog/whats-all-best-stuff-anyhow |last=Pease |first=Bob |publisher=Electronic Design |date=1 December 2006 |accessdate=2013-03-09}}</ref>。

地球の[[電離層]]と地面との間の静電容量は、約1&nbsp;Fである<ref>{{cite web |url=http://konfluence.org/efield.pdf |title=Electrical Properties of the Fair-Weather Atmosphere and the Possibility of Observable Discharge on Moving Objects |last=Williams |first=L. L. |date=January 1999 |accessdate=2012-08-13}}</ref>。

== 組立単位 ==
=== ファラド毎メートル ===
[[誘電率]]の単位は'''ファラド毎メートル'''(F/m)であり、
:F/m = [[メートル|m]]{{sup-|3}}&middot;[[キログラム|kg]]{{sup-|1}}&middot;[[秒|s]]{{sup|4}}&middot;[[アンペア|A]]{{sup|2}}
となる。

=== 毎ファラド・ダラフ ===
静電容量の逆数を[[静電容量#エラスタンス|エラスタンス]]（{{lang-en-short|[[:en:Capacitance#Capacitance matrix|electrical elastance]]}}）という。その単位は、ファラドの逆数であるため'''[[毎ファラド]]''' (F{{sup-|1}})となるが、farad を逆さまにして'''ダラフ'''（{{lang-en-short|daraf}}）とも呼ぶ<ref>{{Cite web |title=Daraf |url=http://www.websters-dictionary-online.com/definitions/daraf |publisher=Webster's Online Dictionary |accessdate=2009-06-19 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20111004054525/http://www.websters-dictionary-online.com/definitions/daraf |archivedate=2011-10-04 |url-status=dead|url-status-date=2017-09 }}</ref>。毎ファラドは、
:F{{sup-|1}}  =[[メートル|m]]{{sup|2}}&middot;[[キログラム|kg]]{{sup|1}}&middot;[[秒|s]]{{sup-|4}}&middot;[[アンペア|A]]{{sup-|2}}
となる。

==CGS単位==
'''アブファラド'''（abfarad、abF）は、[[CGS単位系|CGS]]電磁単位系の静電容量の単位である。{{10^|9}}ファラドに等しい<ref>{{cite book |title=Modern Dictionary of Electronics |last=Graf |first=Rudolf F. |year=1999 |publisher=Newnes |page=1 |url=https://books.google.com/books?id=AYEKAQAAQBAJ |isbn=9780080511986 |accessdate=2016-04-15}}</ref>。

'''スタットファラド'''（statfarad、statF）はCGS静電単位系の静電容量の単位である。「1[[スタットボルト]]の電位差により1[[スタットクーロン]]の電荷を充電できる静電容量」と定義される。1/(10<sup>−5</sup>''c''<sup>2</sup>)ファラド（ここで''c''はセンチメートル毎秒単位の[[光速度]]）に等しく、およそ1.1126 pFである。

== 非公式・非推奨の名称 ==
英語の口語では、ピコファラドは時々"puff"や"pic"と呼ばれ、"a ten-puff capacitor"のような言い方をすることがある<ref>{{cite web |title=Puff |url=http://scienceworld.wolfram.com/physics/Puff.html |publisher=Wolfram Research |accessdate=2009-06-09}}</ref>。同様に、マイクロファラドは"mic"（マイクと発音する）と呼ばれることがある。

[[&mu;|ギリシャ文字の&mu;]]が利用できない場合、"&mu;F"を"uF"と書くことがしばしばある。古い文献では、ピコファラドを二重接頭語を使って「マイクロマイクロファラド」(&mu;&mu;F)と表現している。1960年以前には、"mF"や"MFD"はミリファラドではなくマイクロファラドを意味することが多かった。同様に、マイクロマイクロファラドは"mmF"とも表記された。

== 符号位置 ==
{| class="wikitable" style="text-align:center;"
!記号!![[Unicode]]!![[JIS X 0213]]!![[文字参照]]!!名称
{{CharCode|13106|3332|-|ファラッド}}
{{CharCode|13194|338A|-|ピコファラド}}
{{CharCode|13195|338B|-|ナノファラド}}
{{CharCode|13196|338C|-|マイクロファラド}}
|}

[[Unicode]]には、[[CJK互換用文字]]として以下の文字が収録されている。
*{{Unichar|3332|Square Huaraddo}}
*{{Unichar|338A|Square pF}}
*{{Unichar|338B|Square nF}}
*{{Unichar|338C|Square mu F}}
これらは、既存の文字コードに対する後方互換性のために収録されているものであり、使用は推奨されない<ref>{{cite web|url=https://www.unicode.org/charts/PDF/U3300.pdf|title=CJK Compatibility|accessdate=2016-02-21|date=2015}}</ref><ref>{{cite web|publisher=The Unicode Consortium|title=The Unicode Standard, Version 8.0.0|location=Mountain View, CA|date=2015|isbn=978-1-936213-10-8|url=http://www.unicode.org/versions/Unicode8.0.0|accessdate=2016-02-21}}</ref>。

== 関連項目 ==
*[[コンデンサ]]
*[[電気二重層コンデンサ]]（スーパー・キャパシタ）
*[[静電容量の比較]]

== 出典 ==
{{脚注ヘルプ}}
{{Reflist|2}}

== 外部リンク ==
* [http://www.translatorscafe.com/cafe/units-converter/electrostatic-capacitance/c/ Farad unit conversion tool]
* {{Kotobank|2=ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典}}
* {{JGLOBAL ID|201106098083891534}}

{{SI電磁気単位}}
{{SI units navbox}}

{{DEFAULTSORT:ふあらと}}
[[Category:電磁気の単位]]
[[Category:SI組立単位]]
[[Category:エポニム]]
[[Category:マイケル・ファラデー]]