確かに、私たち誰もが、人生で少なくとも一度は、電流とは何かについて疑問を抱いたことがあるでしょう。 電圧これらはすべて、電気という 1 つの大きな物理概念の構成要素です。 簡単な例を使って電気現象の基本パターンを学んでみましょう。
電気とは何ですか?
電気は、電荷の出現、蓄積、相互作用、移動に関連する一連の物理現象です。 ほとんどの科学史家によると、最初の電気現象は紀元前 7 世紀に古代ギリシャの哲学者タレスによって発見されました。 タレスは静電気の影響、つまり羊毛でこすった琥珀に軽い物体や粒子が引き寄せられることを観察しました。 この実験を自分で繰り返すには、プラスチック製の物体 (ペンや定規など) をウールや綿の布の上でこすり、細かく切った紙片に近づける必要があります。
電気現象の研究を記述した最初の本格的な科学的著作は、1600 年に出版された英国の科学者ウィリアム ギルバートの論文「磁石、磁性体、および偉大な磁石 - 地球」でした。この著作で著者は結果を説明しました。磁石と電気を帯びた物体を使った彼の実験の記録。 電気という用語もここで初めて出てきます。
W. ギルバートの研究は、電気と磁気の科学の発展に重大な刺激を与えました。17 世紀初頭から 19 世紀末にかけて、多数の実験が実施され、電磁気現象を説明する基本法則が確立されました。現象が定式化されました。 そして 1897 年、英国の物理学者ジョセフ・トムソンは、物質の電気的および磁気的特性を決定する荷電粒子である電子を発見しました。 電子（古代ギリシャ語で電子は琥珀）は、約 1.602 * 10-19 C (クーロン) に等しい負電荷と、9.109 * 10-31 kg に等しい質量を持っています。 電子やその他の荷電粒子のおかげで、物質内で電気的および磁気的プロセスが発生します。
緊張とは何ですか？
電流には直流と交流があります。 荷電粒子が常に一方向に移動する場合、回路には直流電流が流れ、したがって、 定電圧。 粒子の移動方向が周期的に変化する（粒子が一方向または別の方向に移動する）場合、これは交流であり、したがって、交流電圧の存在下で（つまり、電位差の極性が変化するとき）発生します。 交流は、電流の強さが周期的に変化することを特徴とし、最大値をとり、次に最小値をとります。 これらの電流値は振幅、またはピークです。 電圧極性の変化の頻度は異なる場合があります。 たとえば、我が国ではこの周波数は 50 ヘルツ (つまり、電圧の極性は 1 秒間に 50 回変化します)、米国では交流の周波数は 60 ヘルツ (ヘルツ) です。
電圧の単位は、最初のガルバニ電池を作成したイタリアの科学者アレッサンドロ ボルタにちなんでボルト (V) と名付けられました。
電圧の単位は、導体に沿って 1 C の電荷を移動させるために行われる仕事が 1 J に等しい導体の両端の電圧とみなされます。
1 V = 1 J/C
ボルトに加えて、ミリボルト (mV) とキロボルト (kV) というその約数と倍数も使用されます。
1mV = 0.001V;
1 kV = 1000 V。
高（高）電圧は生命を脅かすものです。 高圧送電線の 1 本の電線と大地の間の電圧が 100,000 V であるとします。この電線が何らかの導体で大地に接続されている場合、1 C の電荷がそこを通過すると、仕事は次のようになります。ほぼ同じ作業を高さ 10 m から落とすと 1000 kg の荷重がかかり、大きな破壊を引き起こす可能性があります。 この例は、高電圧電流がなぜ非常に危険であるかを示しています。
ヴォルタ アレッサンドロ (1745-1827)
イタリアの物理学者は電流理論の創始者の一人であり、最初のガルバニ電池を作成しました。
ただし、より低い電圧で作業する場合には注意も必要です。 状況によっては数十ボルトでも危険な場合があります。 屋内での作業の場合、42 V 以下の電圧が安全であると考えられます。
ガルバニ電池は低電圧を生成します。 したがって、照明ネットワークは、127 および 220 V の電圧を生成する発電機からの電流を使用し、大幅に多くのエネルギーを生成します。
質問
- 電圧の単位は何ですか?
- 照明ネットワークではどのような電圧が使用されますか?
- 乾電池と蓄電池の極の電圧はいくらですか?
- 実際にはボルト以外にどのような電圧の単位が使用されますか?
電流と電圧は、以下で使用される定量的なパラメータです。 電気図。 ほとんどの場合、これらの量は時間の経過とともに変化します。そうでなければ、電気回路の動作に意味がありません。
電圧
従来、電圧は文字で示されていました。 「う」。 電荷単位を低電位点から高電位点に移動させる際に費やされる仕事は、これら 2 点間の電圧です。 言い換えれば、それは電荷単位が高い電位から低い電位に移動した後に放出されるエネルギーです。
電圧は、起電力だけでなく、電位差とも呼ばれます。 このパラメータはボルト単位で測定されます。 電圧が 1 ボルトの 2 点間で 1 クーロンの電荷を移動するには、1 ジュールの仕事を行う必要があります。 クーロンは電荷を測定します。 1クーロンは6x10 18 電子の電荷に等しい。
電圧は電流の種類に応じていくつかの種類に分けられます。
- 一定圧力 。 静電気回路や直流回路に存在します。
- 交流電圧
。 このタイプの電圧は、正弦波および交流電流を使用する回路で見られます。 正弦波電流の場合、次の電圧特性が考慮されます。
- 電圧変動の振幅– これは、X 軸からの最大偏差です。
- 瞬間的な緊張感、特定の時点で表現されます。
- 実効電圧、最初の半サイクルで実行されたアクティブな作業によって決定されます。
- 平均整流電圧、1 高調波周期にわたる整流された電圧の大きさによって決まります。
架空線を介して送電する場合、支柱の設計とその寸法は、印加される電圧の大きさによって異なります。 相間の電圧を次のように呼びます。 線間電圧 、アースと各相間の電圧は 相電圧 。 このルールは、すべてのタイプの架空線に適用されます。 ロシアの電気分野では 家庭用ネットワーク、標準は線間電圧 380 ボルトと相電圧 220 ボルトの三相電圧です。
電気
電気回路内の電流は、特定の点での電子の移動速度であり、アンペアで測定され、図では「」という文字で示されます。 私」 対応する接頭語としてミリ、マイクロ、ナノなどを付けたアンペアの派生単位も使用されます。 1アンペアの電流は、1秒間に1クーロンの電荷単位を移動させることによって生成されます。
従来、電流はプラス電位からマイナス電位の方向に流れると考えられていました。 しかし、物理学の授業から、電子は逆方向に動くことがわかっています。
電圧は回路上の 2 点間で測定され、電流は回路内の特定の 1 点またはその要素を流れるということを知っておく必要があります。 したがって、誰かが「抵抗の緊張」という表現を使用する場合、これは不正確であり、文盲です。 しかし、多くの場合、回路内の特定の点での電圧について話します。 これは、地面とこの点の間の電圧を指します。
電圧は、発電機やその他の装置の電荷にさらされることで生成されます。 電流は、回路上の 2 点に電圧を印加することによって生成されます。
電流と電圧が何であるかを理解するには、を使用する方が正確です。 そこには、時間の経過とともに値が変化する電流と電圧が表示されます。 実際には、電気回路の要素は導体によって接続されます。 特定の点では、回路の要素が独自の電圧値を持ちます。
電流と電圧は次の規則に従います。
- ある点に入る電流の合計は、その点から出る電流の合計に等しい (電荷保存則)。 この規則は電流に関するキルヒホッフの法則です。 この場合の電流の入口と出口をノードと呼びます。 この法則から次のことが得られます。要素のグループからなる直列電気回路では、電流値はすべての点で同じです。
- 要素の並列回路では、すべての要素にかかる電圧は同じになります。 言い換えれば、閉回路における電圧降下の合計はゼロになります。 このキルヒホッフの法則は応力にも当てはまります。
- 回路の単位時間当たりの仕事（電力）は次のように表されます。 P = U*I。 電力はワット単位で測定されます。 1 秒間に行われる 1 ジュールの仕事は 1 ワットに相当します。 電力は熱の形で分配され、機械的仕事（電気モーター）を実行するために消費され、放射線に変換されます。 さまざまな種類、容器またはバッテリーに蓄積します。 複雑な電気システムを設計する場合、課題の 1 つはシステムの熱負荷です。
特性 電流
電気回路に電流が存在するための前提条件は閉回路です。 回路が切れると電流が止まります。
電気工学の分野では誰もがこの原則に基づいて作業を行っています。 可動機械接点で電気回路を遮断し、電流の流れを止めてデバイスの電源をオフにします。
エネルギー産業では、バスバーや電流を流すその他の部品の形で作られた電流導体の内部で電流が発生します。
内部電流を生成する他の方法もあります。
- 荷電イオンの移動による液体と気体。
- 熱電子放出を利用した真空、ガス、空気。
- 、電荷キャリアの移動による。
電流が発生する条件：
- 導体（超伝導体ではない）の加熱。
- 電荷キャリアへの電位差の適用。
- 新しい物質を放出する化学反応。
- インパクト 磁場指揮者に。
電流波形
- 直線。
- 可変高調波正弦波。
- 正弦波に似た蛇行ですが、角が鋭くなっています (角が滑らかになる場合もあります)。
- 一定の法則に従って振幅がゼロから最大値まで変化する、一方向の脈動形式。
電流の仕事の種類
- 照明装置によって生成される光放射。
- 発熱体を使用して熱を発生させます。
- 機械的作業（電動機の回転、その他の電気機器の操作）。
- 電磁放射の発生。
電流が引き起こすマイナス現象
- 接点や充電部の過熱。
- 電気機器のコア内での渦電流の発生。
- 外部環境への電磁放射。
電気機器やさまざまな回路を設計する際には、上記の電流の性質を考慮して設計する必要があります。 たとえば、電気モーター、変圧器、発電機における渦電流の悪影響は、磁束を通すために使用されるコアの融着によって軽減されます。 コアの積層は、単一の金属からではなく、特殊電磁鋼の個別の薄いプレートのセットから製造されます。
しかしその一方で、渦電流は仕事に利用されます。 電子レンジ、磁気誘導の原理で動作するオーブン。 したがって、渦電流は有害であるだけでなく、有益でもあると言えます。
正弦波の形式の信号を含む交流は、単位時間あたりの振動周波数が異なる場合があります。 私たちの国では、電流の工業用周波数は標準であり、50 ヘルツに相当します。 一部の国では、現在 60 ヘルツの周波数が使用されています。
電気工学や無線工学のさまざまな目的で、他の周波数値が使用されます。
- 電流周波数が低い低周波信号。
- 工業用電流の周波数よりもはるかに高い高周波信号。
電流は導体内の電子の移動によって生じると考えられており、そのため伝導電流と呼ばれます。 しかし、対流と呼ばれる別の種類の電流があります。 これは、雨滴など、帯電したマクロボディが移動するときに発生します。
金属中の電流
一定の力を受けたときの電子の動きは、地上に降下する落下傘兵に例えられます。 これら 2 つの場合、等速運動が発生します。 スカイダイバーには重力が作用し、空気抵抗の力がそれに対抗します。 電子の動きは電場の力の影響を受けますが、結晶格子のイオンはこの動きに抵抗します。 電子の平均速度は、落下傘兵の速度と同じように一定値に達します。
金属導体中での電子１個の移動速度は毎秒0.1mm、電流の速度は毎秒約30万kmです。 荷電粒子に電圧がかかったところにのみ電流が流れるからです。 したがって、高い電流流量が達成される。
電子が結晶格子内を移動するとき、次のようなパターンが存在します。 電子は、到来するすべてのイオンと衝突するわけではなく、10 分の 1 のイオンとのみ衝突します。 これは量子力学の法則によって説明され、次のように単純化できます。
電子の移動は、抵抗となる大きなイオンによって妨げられます。 これは、金属が加熱され、重イオンが「揺れ」、サイズが大きくなり、導体結晶格子の導電率が低下する場合に特に顕著です。 したがって、金属が加熱されると、その抵抗は常に増加します。 温度が低下すると、電気伝導率が増加します。 金属の温度を絶対零度に下げることにより、超伝導の効果が得られます。
このページでは、電流の基本量を簡単にまとめます。 必要に応じて、ページは新しい値と数式で更新されます。
現在の強さ– 導体の断面を流れる電流の定量的尺度。 導体が太ければ厚いほど、より多くの電流が流れます。 電流は電流計と呼ばれる装置で測定されます。 測定単位はアンペア (A) です。 現在の強さは文字 - で示されます。 私.
低周波の直流および交流が導体の断面全体を流れることを付け加えておきます。 高周波交流は導体の表面、つまり表皮層に沿ってのみ流れます。 電流の周波数が高くなるほど、薄くなります 皮膚層高周波電流が流れる導体。 これは、導体、インダクター、導波管など、あらゆる高周波要素に当てはまります。 したがって、高周波電流に対する導体の能動抵抗を減らすために、直径の大きな導体が選択され、さらに銀メッキが施されます（知られているように、銀の抵抗率は非常に低いです）。
電圧（電圧降下）– 電気回路内の 2 点間の電位差 (電気エネルギー) の定量的尺度。 電流源電圧は、電流源の端子の電位差です。 電圧は電圧計で測定します。 測定単位はボルト (V) です。 電圧は文字 – で示されます。 U、電源の電圧（起電力と同義）は文字 – で表すことができます。 E.
詳細については記事をご覧ください。
– 電流の定量的な尺度であり、そのエネルギー特性を特徴づけます。 それは主なパラメータである電流と電圧によって決まります。 電流の電力は電力計と呼ばれる装置で測定されます。 測定単位はワット（W）です。 電流の電力は文字 - で示されます。 R。 パワーは依存関係によって決まります。
触れます 実用化次の式を例として使用します。 電力がわからない電気加熱装置があると想像してください。 デバイスが消費する電力を調べるには、電流を測定し、その値に電圧を掛けます。 またはその逆に、ネットワーク電圧が 220 ボルトで、電力が 2 kW (キロワット) のデバイスがあります。 このデバイスに電力を供給しているケーブルの電流強度を確認するにはどうすればよいですか? 電力を電圧で割って電流を求めます。 I=P/U= 2000 W/220 V = 9.1 A。
電力消費量– 電力網の電源からの単位時間当たりの電力消費量の合計値。 電気使用量はメーター（一般的なアパートのメーター）で計測されます。 測定単位はキロワット*時 (kWh) です。
回路素子抵抗– 電気回路要素の電流に耐える能力を特徴付ける定量的な尺度。 で シンプルな形で、抵抗は通常の抵抗です。 抵抗器は、電流制限器 - 追加抵抗器として、電流消費器 - 負荷抵抗器として使用できます。 電流源にも内部抵抗があります。 抵抗はオーム計と呼ばれる装置で測定されます。 測定単位はオーム (Ω) です。 抵抗は文字 - で示されます。 R。 オームの法則 (公式) により、電流と電圧に関係します。
どこ U– 電気回路要素間の電圧降下、 私– 回路要素を流れる電流。
電気回路要素の消費（吸収）電力– 回路要素で消費される電力の値。要素が公称パラメータを変更することなく（故障に）吸収（耐えることが）できます。 抵抗器の消費電力はその名前に示されています (例: 2 ワットの抵抗器 - OMLT-2、10 ワットの巻線抵抗器 - PEV-10)。 計算するとき 回路図、回路要素の必要な消費電力の値は、次の式を使用して計算されます。
信頼性の高い動作を実現するには、電力予備を確保する必要があるという事実を考慮して、式によって決定される要素の消費電力の値に 1.5 倍を掛けます。
回路素子の導電率– 回路要素が電流を流す能力。 導電率の単位はシーメンス (Cm) です。 導電性は文字 - で示されます。 σ 。 導電率は抵抗の逆数であり、次の式で関係付けられます。
導体の抵抗が 0.25 オーム (または 1/4 オーム) の場合、導電率は 4 ジーメンスになります。
電流周波数– 電流の方向の変化率を特徴付ける定量的尺度。 コンセプトがあります - 円周（または周期）周波数 - ω、電場（磁場）の位相ベクトルの変化率を決定します。 電流の周波数 - f、1 秒あたりの電流の方向の変化率 (回、または振動) を特徴づけます。 周波数は周波数計と呼ばれる装置で測定されます。 測定単位はヘルツ (Hz) です。 両方の周波数は次の式で相互に関連付けられます。
電流の周期– 周波数の逆数値。電流が 1 回の周期振動を起こす時間を示します。 周期は通常オシロスコープを使用して測定されます。 期間の単位は秒（s）です。 電流の振動の周期は文字 - で示されます。 T。 周期は次の式で電流の周波数に関係します。
高周波電磁場の波長– 空間における電磁場の振動の 1 周期を特徴付ける次元量。 波長はメートル (m) 単位で測定されます。 波長は文字 – で示されます。 λ 。 波長は周波数に関係しており、光の速度によって決まります。
– コンデンサプレート上に電荷の形で電流エネルギーを蓄積する能力を特徴付ける定量的尺度。 電気容量は文字 - で指定されます。 と。 電気容量の測定単位はファラド (F) です。
磁気インダクタンス– インダクター（チョーク）の磁界に電流エネルギーを蓄積する能力を特徴付ける定量的尺度。 磁気インダクタンスは文字 – で指定されます。 L。 インダクタンスの単位はヘンリー（H）です。
コンデンサのリアクタンス（静電容量）– 特定の周波数における交流高調波電流に対するコンデンサの内部抵抗の値。 コンデンサのリアクタンスは−で表されます。 XC次の式で決定されます。
インダクタ（チョーク）のリアクタンス– 特定の周波数における交流高調波電流に対するインダクタの内部抵抗の値。 インダクタのリアクタンスは次のように表されます。 XL次の式で決定されます。
発振回路の共振周波数– 発振回路が顕著な振幅周波数応答 (AFC) を示す高調波交流の周波数。 発振回路の共振周波数は次の式で決まります。
、 または
発振回路の品質係数- 共振周波数応答の幅を決定し、回路内のエネルギー貯蔵量が 1 発振周期中のエネルギー損失の何倍であるかを示す特性。 品質係数では、有効負荷抵抗の存在が考慮されます。 品質係数は文字 - で示されます。 Q.
3 つの要素すべてが直列に接続されている RLC 回路の直列発振回路の場合、品質係数は次のように計算されます。
どこ R, Lそして C- それぞれ共振回路の抵抗、インダクタンス、およびキャパシタンス。
インダクタンス、キャパシタンス、抵抗が並列に接続された並列発振回路の場合、品質係数は次のように計算されます。
パルスデューティサイクルパルス繰り返し周期とその持続時間の比です。 パルスのデューティ サイクルは次の式で決まります。
電流 (I) は、電荷 (電解質中のイオン、金属中の伝導電子) の方向性の動きです。
電流が流れるために必要な条件は閉回路です。
電流はアンペア（A）で測定されます.
電流の派生単位は次のとおりです。
1 キロアンペア (kA) = 1000 A;
1ミリアンペア(mA) 0.001A;
1 マイクロアンペア (µA) = 0.000001 A。
人は体に 0.005 A の電流が流れるのを感じ始めます。0.05 A を超える電流は人命にとって危険です。
電圧(U)は、電界内の 2 点間の電位差と呼ばれます。
ユニット 電位差はボルト(V)です。
1 V = (1 W) : (1 A)。
導出される電圧単位は次のとおりです。
1 キロボルト (kV) = 1000 V;
1 ミリボルト (mV) = 0.001 V;
1 マイクロボルト (μV) = 0.00000 1 V。
電気回路の一部の抵抗量は、導体の材質、長さ、断面積によって異なります。
電気抵抗はオーム（ohms）で測定されます。
1 オーム = (1 V) : (1 A)。
抵抗の派生単位は次のとおりです。
1 キロオーム (kオーム) = 1000 オーム;
1 メガオーム (MΩ) = 1,000,000 オーム;
1 ミリオーム (mオーム) = 0.001 オーム;
1 マイクロオーム (μオーム) = 0.00000 1 オーム。
人体の電気抵抗は、さまざまな条件に応じて 2000 ～ 10,000 オームの範囲になります。
電気抵抗率 (ρ)温度20℃における長さ1m、断面積1mm2のワイヤの抵抗をいいます。
抵抗率の逆数を導電率（γ）といいます。
パワー(P)エネルギーが変換される速度、または仕事が行われる速度を特徴付ける量です。
発電機の出力は、機械エネルギーまたはその他のエネルギーが発電機内で電気エネルギーに変換される速度を特徴付ける量です。
消費電力は、回路の個々のセクションで電気エネルギーが他のセクションに変換される速度を特徴付ける量です。 有用種エネルギー。
電力の SI 系単位はワット (W) です。 これは、1 秒間に 1 ジュールの仕事が実行される電力に等しいです。
1W = 1J/1秒
電力の派生測定単位は次のとおりです。
1 キロワット (kW) = 1000 W;
1 メガワット (MW) = 1000 kW = 1,000,000 W;
1 ミリワット (mW) = 0.001 W; o1i
1 馬力 (hp) = 736 W = 0.736 kW。
電気エネルギーの測定単位は：
1 ワット秒 (W 秒) = 1 J = (1 N) (1 m);
1 キロワット時 (kW h) = 3.6 106 W 秒。
例。 220 V ネットワークに接続された電気モーターの消費電流は 15 分間で 10 A でした。 モーターが消費するエネルギーを求めます。
W*sec、つまりこの値を 1000 と 3600 で割ると、エネルギーがキロワット時で得られます。
W = 1980000/(1000*3600) = 0.55 kWh
表1。 電気量と単位