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| 電流とは |
電流は、マイナスの電気(電荷)を持つ電子が原子の中から飛び出して移動することで発生します。マイナスの性質を有する電子はプラス極に引き寄せられますが、この電子の移動を電流といいます。電流はプラスからマイナスに流れていると思われていますが実はマイナスからプラスに向かって流れています。
このような間違いが生じたのは、アメリカのベンジャミン・フランクリンの勘違いによるものです。1897年にイギリスのトムソンによって電子の正体が明らかにされた時には、すでに世界中に広く浸透していました。この矛盾によって電気の説明や計算に問題が生じることがなかったため、今日では「電子はプラスの方向に流れ、
その反対の流れ
を電流とする。」という約束事になっています。 |
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| 直 流 |
乾電池やバッテリのように電圧が一定で、電流の流れる方向が変わらないものを直流といいます。直流には、直流発電機(交流電動機で駆動)で直流を出力させるものやシリコン整流器と電圧調整器で直流を出力させるものがあります。
交流を整流したも
のは、完全な直流ではなく、多少の波が残るために脈流と呼ばています。乾電池の直流は平流といい、直流を区別する場合に用いられています。 |
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| 電流の向きが一定 |
直 流 |
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| 交 流 |
時間に対して電圧の大きさと電流の流れる方向が周期的に変化するものが交流で、変圧器によって容易に電圧を変えることができます。１つの山と谷のカーブの波形を１サイクルといい、１秒間のサイクル数を周波数といいます。周波数の単位にはヘルツ
が用いられ、この波が１秒間に50回あれば50Ｈz、60回あれば60Ｈzといいます。 |
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| 電流の向きが変化する |
交 流 |
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| 一般家庭には２本の線を用いて100Ｖの電気を配電していますが、 このような交流を単相交流といいます。また、単相交流３つを一定間隔にして３本の線で配電するものを三相交流といい、200Ｖや400Ｖの三相交流が電動機を使用する工場等で使用されています。我が国の電源の周波数は、静岡の富士川を境にして、おおむね東日本が50Ｈz、西日本が60Ｈzです。このような違いが生じたのは、明治初期にドイツ製とアメリカ製の周波数の異なる発電装置を別々に輸入したことが始まりといわれています。 |
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| 三相交流 |
周波数の分布 |
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| ○ |
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交流の実効値 |
交流電圧の瞬間の値を瞬時値といい、瞬時値の最も大きなものを最大値といいます。直流は、電圧が一定であるため平均値によって電気的効果を求めることができます。しかし、交流に平均値を用いると正の半サイクルと負の半サイクルによって値がゼロになってしまいます。このため、交流の電気的効果を表わすためには別の方法を用いる必要があります。
そこで考え出されたのが実効値です。 たとえば、直流電流によって電球を点灯し、ある明るさを得られたとします。 次に同じ電球に交流電流を加えて直流電流
の時と同じ明るさになるまで電圧を上げると、直流電流の電気的効果と等しくなります。この時の値を交流の実効値といい、次の式で求めることができます。 |
| 交流の実効値(Ｖ)＝ |
最大値 |
＝最大値×0.707 |
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| √2 |
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| 一般家庭で使用されている100Ｖの交流は実効値を示しており、最大値は次の式で求めることができます。 |
| 交流の最大値(Ｅm)＝実効値×√2＝実効値×1.414 |
| 交流電圧100Ｖの最大値＝100×1.414＝141.4Ｖ |
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| この式で分る通り、交流電圧100Ｖの振れ幅は電圧０Ｖから141.4Ｖで変化しています。なお交流用の電圧計や電流計も実効値で示されています。 |
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| 電 圧 |
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水は高い所から低い所に向かって流れますが、
電流も高電位から低電位に向かって流れています。電流を流すためには電気の圧力が必要で、 水位に相当する電位の差を電位差といいます。
電流を流す力である電位差は、一般に電圧と呼
ばれ、単位にはボルト(Ｖ)が用いられています。 |
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| 抵 抗 |
| 電気回路に電流が流れる時、この流れを妨げようとする作用が起きます。この作用を電気抵抗又は単に抵抗といい、単位にはオーム (Ω)が用いられています。電気回路に用いられている抵抗器は、一定の抵抗値を有するもので、Resistanceの頭文字Ｒで表されています。電気回路の抵抗の接続には直列・並列・直並列があり、これらを１つの抵抗として換算することを抵抗の合成といい、この値を合成抵抗といいます。 |
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| ○ |
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直列接続の合成抵抗 |
| 直列接続の合成抵抗は、それぞれの抵抗を加えて求めます。 |
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Ｒ＝Ｒ1＋Ｒ2 |
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| ○ |
並列接続の合成抵抗 |
| 並列接続の合成抵抗は、それぞれの抵抗値の逆数を足し、それを更に逆数にして求めます。 |
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| ○ |
直並列の合成抵抗 |
| 直並列の合成抵抗は、直列接続と並列接続の計算式を組合せて求めます。 |
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| 導体と不導体 |
| 物質には、電気を通しやすい導体と電気を通しにくい不導体があります。不導体は、物質内の原子核と電子の結びつきが非常に強く、物質の抵抗値が高いために電気が流れにくいのです。物質の抵抗は長さに比例し、断面積に反比例します。
物質の長さを2倍にすると、抵抗は2倍になり、断面積を2倍にすると抵抗は1/2になります。 |
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| ○ |
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導体（電導体） |
| 導体は、電気抵抗が非常に小さく、電気を非常によく通します。 |
| 例： 銅、鉄、アルミニウム、金、銀、黒鉛、炭素 |
| ○ |
不導体（絶縁体） |
| 不導体は、電気抵抗が非常に大きく、電気をほとんど通しません。 |
| 1. |
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固体 |
| ゴム、雲母、磁器、ガラス、セラミックス、合成樹脂 |
| 2. |
液体 |
| 鉱物油、純水（海水等の不純物が溶け込むと電気をよく通す。） |
| 3. |
気体 |
| 空気（強い電圧を加えた場合は放電現象が起る。） |
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| オームの法則 |
回路に流れる電流の大きさは電圧に比例し、抵抗に反比例します。これを豆電球の回路図で説明すると、Ｂの電球はＡの２倍の乾電池(電圧)によって明るさが２倍になり、ＣはＡの２倍の豆電球(抵抗)によって明るさが１/２になります。
ドイツの科学者オームがこの法則を発見したため、オームの法則と呼ばれています。電流、電圧、抵抗の関係は、次の式で表すことができます。 |
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【計算例】 |
| 電圧(Ｖ) |
＝ |
電流×抵抗 |
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10Ｖ |
＝ |
５Ａ×２Ω |
| 電流(Ａ) |
＝ |
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５Ａ |
＝ |
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| 抵抗(Ω) |
＝ |
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２Ω |
＝ |
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電圧、抵抗、電流の大きな数値や小さな数値には、次のような単位が用いられます。
1,000Ｖ＝1ｋＶ 10,000Ｖ＝10ｋＶ
1,000,000Ω(100万オーム)＝１ＭΩ
1Ａ＝1,000ｍＡ 0.001Ａ＝１ｍＡ |
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| ジュール熱 |
電熱器は、ニクロム線の中の電子が原子や分子の抵抗とぶつかって発熱するもので この抵抗による発熱作用をジュール熱といいます。クレーンの電動機に定格荷重以上の負荷が掛かると、電動機に規定以上の電流が流れて巻線の温度が異常に上昇して焼きつくことがありますが、これもジュール熱によるものです。
イギリスのジュールによってジュール熱が発見されたため、単位にはＪ(ジュール)が用いられています。ジュール熱は消費した電力量と等しいため、次の式よってジュール熱を求めることができます。 |
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| ジュール熱(Ｊ)＝電力量＝電力×消費した時間 |
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| 電力と電力量 |
電気エネルギーの単位時間当たりの仕事量を電力といいます。電力は電気エネルギーを消費することであるため、消費電力とも呼ばれています。電力の単位にはＷ (ワット)を用い、1000Ｗは1ｋＷ(キロワット)と表します。電球は100Ｖ60Ｗ等と表示されていますが、100Ｖの表示は100Ｖの電圧を使用することを表し、60Ｗは電球の消費電力を表しています。
電力は電圧と電流の積で求めることができますが、電圧は電流と抵抗の積であるため 電流の２乗と抵抗の積によって電力を求めることもできます。一般家庭で家電製品を使い過ぎると、ブレーカが落ちることがあります。電力会社との契約電流を30Ａとした場合、一般家庭の電圧は100Ｖであるため、電力の許容量は3000Ｗ(30Ａ×100Ｖ)になります。したがって、家電品の消費電力を確認し、これを超えないように使用しなければなりません。 |
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【計算例】 |
| 電力＝電圧×電流 |
電圧が100Ｖで電流が２Ａの時の電力 |
| 又は |
電力＝100×２＝200Ｗ |
| 電力＝(電流)２×抵抗 |
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| 電力量は、ある時間内に消費した電力の総量を示すもので、電力と使用した時間の積によって求めることができます。電力量の単位には、Ｗｈ(ワットアワー)又はｋＷｈ(キロワットアワー)が用いられています。 |
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| 電力量(Ｗｈ)＝電力(Ｗ)×消費した時間(ｈ) |
| 【計算例】 |
| 800Ｗの電動機を２時間使用した時の電力量 |
| 電力量＝800×２＝1600Ｗｈ＝1.6ｋＷｈ |
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