電気の仕組み

静電気とクーロンの法則

完全には理解していなかったとしても、古代人は電気について知っていました。伝説の七賢人の一人として知られるギリシャの哲学者ミレトスのタレスは、紀元前600年頃に電気を研究した最初の人類だったと考えられる 琥珀（木の樹脂の化石）を毛皮でこすることにより、彼は塵を引き寄せることができた。羽毛やその他の軽量物体。これらは、静電気、すなわち定常電荷または静電気の研究を用いた最初の実験でした。実際、電気という言葉は、琥珀を意味するギリシャ語のエレクトロンに由来しています。

実験は 17 世紀まで続行されませんでした。英国の医師でありアマチュア科学者であるウィリアム・ギルバートが磁気と静電気の研究を始めたのはその時でした。彼はミレトスのタレスの研究を繰り返し、物体をこすり合わせ、摩擦によって帯電させました。一方の物体が他方の物体を引き付けたり反発したりするときに、彼はその作用する力を説明するために「電気」という用語を作りました。同氏は、こする動作によって物体の1つから液体または「ユーモア」が除去され、その周囲に「脱毛」または雰囲気が残るため、これらの力が発生したと述べた。

電気は流体として存在するというこの概念は 1700 年代まで続きました。 1729 年、英国の科学者スティーブン グレイは、絹などの特定の素材が電気を通さないことを観察しました。彼の説明は、ギルバートが説明した謎の流体は物体を通過するか、移動を妨げられる可能性があるというものでした。科学者はこの液体を入れてその効果を研究するための瓶も作りました。オランダの楽器製作者エヴァルト・フォン・クライストとピーテル・ファン・ムッシェンブルックは、現在ライデン瓶として知られる、水と電荷を蓄える釘が入ったガラス瓶を作成しました。マッシェンブルックが初めてこの壺を使用したとき、彼は大きな衝撃を受けました。

1700 年代後半までに、科学界は電気がどのように機能するのかをより明確に把握し始めました。 ベンジャミン フランクリンは1752 年に有名な凧実験を行い、雷が本質的に電気であることを証明しました。また、電気にはプラスとマイナスの要素があり、流れはプラスからマイナスであるという考えを示しました。約 30 年後、シャルル・オーギュスタン・ド・クーロンというフランスの科学者は、電気力に影響を与える変数を決定するためにいくつかの実験を実施しました。彼の研究の結果、クーロンの法則が生まれました。これは、同じ電荷は反発し、反対の電荷は引き付けられ、その力は電荷の積に比例し、電荷間の距離の 2 乗に反比例するというものです。

クーロンの法則により、2 つの帯電した物体間の静電力を計算することが可能になりましたが、それらの電荷の基本的な性質は明らかにされませんでした。プラスとマイナスの電荷の源は何ですか?次のセクションで説明するように、科学者は 1800 年代にその質問に答えることができました。

電気と原子の構造

19 世紀の終わりに向けて、科学は目覚ましいペースで進歩していました。自動車と航空機は世界の移動手段を変えようとしており、電力はますます多くの家庭に着実に普及してきました。しかし、当時の科学者でさえ、電気を漠然と神秘的なものとして捉えていました。科学者たちが電子の存在を発見したのは 1897 年になってからであり、ここから現代の電気の時代が始まりました。

ご存知のとおり、物質は原子で構成されています。何かを十分に小さな断片に分解すると、負の電荷を持った 1 つまたは複数の電子が周回する原子核が生成されます。多くの物質では、電子は原子に強く結合しています。木、ガラス、プラスチック、セラミック、空気、綿 — これらはすべて、電子が原子にくっついている材料の例です。これらの原子は電子を共有することに非常に消極的であるため、これらの材料は電気を伝導したとしても、あまり伝導できません。これらの材料は電気絶縁体です。

しかし、ほとんどの金属は、原子から離れて飛び回ることができる電子を持っています。これらは自由電子と呼ばれます。緩い電子により、これらの材料に電気が流れやすくなるため、これらの材料は導電体として知られています。それらは電気を伝導します。移動する電子は、ある点から別の点に電気エネルギーを伝達します。

chishiki.click の中には、原子を飼い犬、電子をノミのようなものとして考えるのが好きな人もいます。柵で囲まれたエリアの中やその中に住んでいて、それによって厄介なノミを封じ込めている犬は、電気絶縁体と同じことになります。しかし、自由に歩き回る雑種は電気伝導体になります。屋内で甘やかされたパグが住んでいる地域と、柵のないバセットハウンドが暴れ回っている地域があった場合、どちらのグループがノミの大発生を最も早く広めることができると思いますか?

したがって、電気が動くためには導体が必要です。また、導体を通して電気をある点から別の点に流すための何かが必要です。電気を流す方法の 1 つは、発電機を使用することです。

発電機

磁石を使ってゼムクリップを動かしたり、「ウーリーウィリー」というおもちゃのひげに金属の削りくずを並べて時間をつぶしたりしたことがあるなら、あなたは最も複雑な発電機の背後にある基本原理にも手を出したことになるでしょう。これらの小さな金属片を適切なモヒカン刈りに整列させる磁場は、電子の動きによるものです。磁石をペーパークリップに向かって動かすと、クリップ内の電子が強制的に移動します。同様に、電子が金属ワイヤ内を移動できるようにすると、ワイヤの周囲に磁場が形成されます。

ウーリー ウィリーのおかげで、電気と磁気の現象の間には明確なつながりがあることがわかります。発電機は、ワイヤーの近くで磁石を動かし、電子の安定した流れを作り出す単純な装置です。この動きを強制する作用は、手回しクランクや蒸気エンジン、核分裂に至るまで大きく異なりますが、原理は同じです。

発電機について考える簡単な方法の 1 つは、パイプ内に水を押し出すポンプのように機能する発電機を想像することです。発電機は水を押す代わりに、磁石を使って電子を押し込みます。これは少し単純化しすぎですが、ジェネレーターで機能するプロパティをわかりやすく示しています。ウォーターポンプは、一定数の水の分子を移動させ、それらに一定の圧力を加えます。同様に、発電機内の磁石は一定数の電子を押し出し、電子に一定量の「圧力」を加えます。

電気回路では、運動する電子の数はアンペア数または電流と呼ばれ、アンペアで測定されます。電子を押し進める「圧力」は電圧と呼ばれ、ボルト単位で測定されます。たとえば、毎分 1,000 回転で回転する発電機は、6 ボルトで 1 アンペアを生成します。 1 アンペアは移動する電子の数 (物理的には、1 アンペアは毎秒 6.24 x 10 ^{18 個の}電子がワイヤを通って移動することを意味します)、電圧はそれらの電子の背後にある圧力の量です。

発電機は現代の発電所の心臓部を形成します。次のセクションでは、これらのステーションの 1 つがどのように機能するかを見ていきます。

電気を作る

マイケル・ファラデーの発電機では、磁石の極の間で回転する銅線のコイルが定常電流を生成します。円盤を回転させる方法の 1 つは手でクランキングすることですが、これは電気を作るための現実的な方法ではありません。別のオプションは、発電機のシャフトをタービンに取り付け、他のエネルギー源でタービンに電力を供給することです。落水はそのようなエネルギー源の 1 つであり、実際、史上最初に建設された大規模なプラントは、ナイアガラの滝から供給される膨大な運動エネルギーを利用しました。

ジョージ ウェスティングハウスは 1895 年にその工場を開設しましたが、その運営原則はそれ以来あまり変わっていません。まず、エンジニアは川を越えてダムを建設し、水をためる貯水池を作ります。彼らはダム壁の底部近くに取水口を設置し、水が貯水池から水圧管と呼ばれる狭い水路を通って流れるようにしています。タービンは、巨大なプロペラを想像してください。水圧鉄管の端に設置されています。タービンからのシャフトは発電機に到達します。水がタービンを横切って移動すると、水が回転してシャフトが回転し、その結果、発電機の銅コイルが回転します。銅のコイルが磁石内で回転すると、電気が発生します。発電機に接続された送電線は、発電所から家庭や企業に電気を運びます。ウェスチングハウスのナイアガラフォールズ工場は、200 マイル (322 キロメートル) 以上の電力を輸送することができました。

すべての発電所が降水に依存しているわけではありません。多くは蒸気を利用しています。蒸気は流体のように作用するため、エネルギーをタービンに、そして最終的には発電機に伝達することができます。蒸気を作る最も一般的な方法は、石炭を燃やして水を加熱することです。制御された核反応を使用して水を蒸気に変えることも可能です。さまざまな種類の発電所については、 「水力発電所の仕組み」 、 「風力発電の仕組み」、 「原子力発電の仕組み」で読むことができます。覚えておいていただきたいのは、これらはすべて、機械エネルギー (タービンの回転) を電気エネルギーに変換するという同じ基本原理で動作するということです。

もちろん、発電機を使って電気を作ることは始まりにすぎません。電子を動かしたら、電子を使って何かを行うには電気回路が必要になります。次にその理由を調べてください。

電気回路

電子機器にバッテリーを搭載するときは、単に電気を解き放って、タスクを実行するために送信するだけではありません。マイナスに帯電した電子は、バッテリーのプラス側に移動しようとします。そこに到達するまでに個人用電気シェーバーの回転数を上げる必要がある場合でも、電子はそうするでしょう。非常に単純なレベルで言えば、水が川を流れ、地点 A から地点 B に到達するために水車を回転させられるのとよく似ています。

電力を生成するためにバッテリー、燃料電池、または太陽電池を使用する場合でも、次の 3 つのことが常に同じです。

回路の途中に電球やモーターなど、あらゆるタイプの負荷を接続できます。電源は負荷に電力を供給し、負荷はシャフトの回転から光の生成まで、実行するように設計されたあらゆるタスクを実行します。

電気回路は非常に複雑になる場合がありますが、基本的には常に電源 (バッテリーなど)、負荷、および 2 つの間に電気を運ぶための 2 本のワイヤーが必要です。電子はソースから負荷を通ってソースに戻ります。

動く電子にはエネルギーがあります。電子がある点から別の点に移動すると、仕事をすることができます。たとえば、白熱電球では、電子のエネルギーを使用して熱が生成され、その熱によって光が生成されます。電気モーターでは、電子のエネルギーが磁場を生成し、この磁場が他の磁石と (磁気引力と反発を通じて) 相互作用して動きを生み出します。モーターは日常の活動にとって非常に重要であり、本質的には逆に動作する発電機であるため、次のセクションで詳しく調べます。

電動モーター

すでに説明したように、発電機は機械エネルギーを電気に変換します。モーターは同じ原理で動作しますが、逆方向に動作し、電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。これを行うには、モーターには電磁石として知られる特別な種類の磁石が必要です。最も単純な形式では、これはワイヤーのコイルで巻かれた鉄の棒で構成されます。ワイヤーに電流を流すと鉄の棒に磁場が形成され、N極とS極が明確な磁石になります。電流を切ると磁気特性が消えます。

電磁石はそれ自体、便利なものです。電源を切るだけで、金属製の物体を拾い、どこかに運んで落としたりすることができます。たとえば、屋根職人は、誤って住宅所有者の庭に落ちた釘を拾うためにそれらを使用します。また、解体場には、車全体を持ち上げて移動できるほど強力な電磁石が組み込まれたクレーンがあります。

電磁石は、2 つの固定磁石の間の軸上に配置される場合に特に役立ちます。電磁石の S 極が一方の固定磁石の S 極に対して配置され、その N 極がもう一方の固定磁石の N 極に対して配置されている場合、電磁石は反対の極が揃うまで回転します。電磁石の極性が電流の方向に依存することを除けば、これはあまり役に立ちません。電流を一方向に流すと、磁石のN極が片側になります。電流の流れを逆にすると、北極が反対側になります。モーターでは、整流子として知られる装置が電流の流れの方向を反転させます。電磁石の極が前後に反転すると、磁石は中断されることなく回転できます。もちろん、これは簡単な説明なので、詳細については「電気モーターの仕組み」を読んでください。

結局のところ、電気モーターで生成される機械エネルギーは、さまざまな機械で有効に利用できることがわかります。ガレージにある多くの工具、家の電化製品、子供が遊ぶおもちゃはモーターに依存しています。これらのモーターの中には、動作するために大電流を必要とするものがあります。ロボットや模型で使用される小型 DC モーターなど、効率的に動作するために必要な電圧や電流はほとんどありません。次のセクションでは、電圧と電流についての説明を続けます。

電圧、電流、抵抗

前に述べたように、回路内で運動する電子の数は電流と呼ばれ、アンペアで測定されます。電子を押し進める「圧力」は電圧と呼ばれ、ボルト単位で測定されます。米国にお住まいの場合、家またはアパートの壁にある電源コンセントはそれぞれ 120 ボルトを供給します。

関係するアンペアとボルトがわかれば、消費される電力量を判断できます。通常、消費電力量はワット時またはキロワット時で測定されます。スペースヒーターを壁のコンセントに差し込むことを想像してください。壁のコンセントからヒーターに流れる電流を測定すると、10アンペアでした。つまり1,200ワットのヒーターです。ボルトとアンプを掛けるとワット数が得られます。この場合、120 ボルト× 10 アンペアは 1,200 ワットに相当します。これはどんな電化製品にも当てはまります。ライトを接続すると、半分のアンペアを消費する場合、それは 60 ワットの電球になります。

スペースヒーターをオンにして、屋外の電力メーターを見たとします。メーターの目的は、電力会社が料金を請求できるように、家に流れ込む電気の量を測定することです。可能性が低いことはわかっていますが、家には他に何も点灯していないため、メーターはスペースヒーターで使用される電力のみを測定していると仮定しましょう。

スペースヒーターは 1.2 キロワット (1,200 ワット) を使用しています。スペースヒーターを 1 時間オンにしたままにすると、1.2 キロワット時の電力を消費します。電力会社が 1 キロワット時あたり 10 セントの料金を請求する場合、電力会社は暖房器具を付けたままにする 1 時間ごとに 12 セントを請求することになります。

ここで、電流と電圧にもう 1 つの要素、つまりオームで測定される抵抗を追加しましょう。水の例えを拡張して抵抗を理解することもできます。電圧は水圧に相当し、電流は流量に相当し、抵抗はパイプのサイズに相当します。

オームの法則と呼ばれる基本的な電気工学方程式は、3 つの項がどのように関係するかを説明しています。電流は電圧を抵抗で割ったものと等しくなります。次のように書かれています。

I = V/R

ここで、 I は電流 (アンペアで測定)、 Vは電圧 (ボルトで測定)、 R は抵抗 (オームで測定) を表します。

庭に水をまくために使用しているホースに接続された加圧水のタンクがあるとします。タンク内の圧力を上げるとホースから出る水の量が増えますよね？同じことが電気システムにも当てはまります。電圧が増加すると、より多くの電流が流れます。

ここで、ホースとタンクのすべての付属品の直径を大きくするとします。この調整により、ホースから出る水の量も増加します。これは、電気システムの抵抗が減少し、電流が増加するのと似ています。

通常の白熱電球を見ると、この水の例えが実際に動作しているのがわかります。電球のフィラメントは非常に細いワイヤーです。この細いワイヤーは電子の流れに抵抗します。ワイヤの抵抗は、抵抗方程式を使用して計算できます。

120 ワットの電球が壁のコンセントに差し込まれているとします。電圧は 120 ボルトで、120 ワットの電球には 1 アンペアの電流が流れます。方程式を整理すると、フィラメントの抵抗を計算できます。

R = V/I

したがって、抵抗は120オームです。

これらの中核となる電気的概念以外にも、2 種類の電流の間には実際的な違いがあります。直流電流もあれば交流電流もありますが、これは非常に重要な違いです。

直流と交流

バッテリー、燃料電池、太陽電池はすべて、直流( DC ) と呼ばれるものを生成します。バッテリーのプラス端子とマイナス端子は常にそれぞれプラスとマイナスです。電流はこれら 2 つの端子間で常に同じ方向に流れます。

一方、発電所から供給される電力は交流( AC ) と呼ばれます。電流の方向は、1 秒あたり 60 回 (米国の場合)、または 1 秒あたり 50 回 (たとえばヨーロッパの場合) 反転または交互になります。米国の壁コンセントで利用できる電力は、120 ボルト、60 サイクルの AC 電力です。

交流が電力網にもたらす大きな利点は、変圧器と呼ばれる装置を使用して電力の電圧を変更することが比較的簡単であるという事実です。電力会社は、非常に高い電圧を使用して長距離に電力を送電することで、この方法で多額の費用を節約しています。

これはどのように作動しますか？さて、100 万ワットの電力を生成できる発電所があるとします。その電力を伝送する 1 つの方法は、1 ボルトで 100 万アンペアを送ることです。送信する別の方法は、1 アンペアを 100 万ボルトで送信することです。 1 アンペアの送信に必要なのは細いワイヤだけであり、送信中に熱で電力が失われることはほとんどありません。 100万アンペアを送るには巨大な配線が必要になります。

そのため、電力会社は交流を送電用に非常に高い電圧（100万ボルトなど）に変換し、その後配電用に低い電圧（1,000ボルトなど）に戻し、最後に安全のために家庭内で120ボルトまで下げます。ご想像のとおり、100 万ボルトで人を殺すよりも 120 ボルトで人を殺すほうがはるかに困難です (そして、ほとんどの感電死は今日 GFCI コンセントを使用することで完全に防止されています)。詳細については、 「電力網の仕組み」を参照してください。

ここで説明していない主要な電気的概念が 1 つ残っています。それは接地です。

電気的接地

電気の話題になると、電気接地、または単に接地についてよく耳にします。たとえば、発電機では「使用する前に必ずアースに接続してください」と表示されたり、電化製品では「適切なアースなしで使用しないでください」と警告されたりします。

電力会社が電力システムの配線の 1 つとして地球を使用していることが判明しました。この惑星は良導体であり、巨大であるため、電子にとって便利な帰還経路になります。配電網における「地面」とは、文字通り、外を歩いているときに周囲にある地面のことです。土、岩、地下水などです。

電柱を見ると、おそらく電柱の側面から裸の電線が伸びているのに気づくでしょう。これにより、空中接地線が地面に直接接続されます。地球上のすべての電柱にはこのような裸の電線があります。電力会社が新しい電柱を設置するところを見れば、裸電線の端がコイル状に電柱の根元にステープル留めされていることがわかります。このコイルは、ポールが設置されると地面と直接接触し、地下 6 ～ 10 フィート (2 ～ 3 メートル) に埋められます。ポールを注意深く調べると、ポール間を走るアース線がこの地面への直接接続に接続されていることがわかります。

同様に、家やアパートの電力メーターの近くには、長さ 6 フィート (2 メートル) の銅の棒が地面に打ち込まれています。家のすべてのコンセントのアース プラグとすべての中性プラグがこのロッドに接続されます。私たちの記事「電力網の仕組み」でもこれについて説明しています。

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