電気電子 on M1KE BL0G

コンセントやGNDについて

Mon, 30 Oct 2023 21:32:47 +0900

背景

GND関連について全然理解していないので調べたメモ
特に、普段使っている家庭用コンセントの仕組みも気になったので調べた

GND

GNDとは

グランド（GND）とは、電位の基準点（0Vと定義する点）のこと
そもそもなぜGNDが存在しているかというと、電圧は「2点間の差」であり、絶対値ではないため、基準となる点を決めないと電圧の値を語れないから
電池や安定電源、コンセントは「−から電圧を受け取って、規定の電圧を加えて＋から出力する」という機能であり、GNDはその基準点として機能する

GNDを取る理由

あるYoutube動画がわかりやすかったので、そのSSを貼る。

amp1のgndが0vで、amp2のgndが100vだと仮定する
amp1から出る電圧が1Vだとすると、amp2にとっては、-99vとしてみえる
amp1から出力される電圧はgndをもとにしたものだから、別のgndの機器にいれるとおかしくなるということ

電流

GNDと電気が流れる仕組み

電源から電圧が印加されて、電流が流れることで機械が動く
回路を一周し動かし切った電流たちはGNDと名付けられた配線に到達して、もう一度電源を通過して機械を動かせるエネルギー（電圧）を得る
つまり電池はポンプのような役割であり、これを電池が切れるまでループし続ける

電流が流れる2つの条件

電流が生まれる2つの条件:

閉回路
電圧差

この両方が揃って初めて電流が流れる。

キルヒホッフの法則（KCL・KVL）

電流と電圧の振る舞いを厳密に記述するのがキルヒホッフの法則。

KCL（電流則）：あるノード（接続点）に流れ込む電流の総和はゼロ。

$$\sum_{k} I_k = 0$$

KVL（電圧則）：任意の閉ループを一周したときの電圧の総和はゼロ。

$$\sum_{k} V_k = 0$$

これを使うと、複雑な回路でも連立方程式として解ける。

電池

電池の仕組み

電圧は2点間の電位の差
電池は $V(+) − V(−) = 5\text{V}$ という「段差」を作る装置
電池が保証するのは「差が5V」だけ。どちらが0Vかは基準点（GND）の設定次第
GNDは「0Vと定義する基準点」であり、物理的な地面とは別物
例えば、5Vの電池の+端子をGNDと定義すれば、+端子=0V、−端子=−5Vになる

電池とWireと電圧

Wireの抵抗は（理想的に）ゼロ
なので、Wireは電圧をそのまま伝える
例えば、Wireを乾電池の+端子につなげたら、Wireの電圧も+端子と同じになる

テブナン等価回路（応用）

実際の電池や電源は理想電圧源ではなく、内部抵抗 $r$ を持つ。

$$V_{出力} = V_{起電力} - I \cdot r$$

これをテブナン等価回路と呼び、どんな複雑な回路も「1つの電圧源＋1つの直列抵抗」に置き換えられる。

抵抗・ショート

抵抗がゼロだと $V = IR$ より電流が無限大
例えば、電池の+-端子をWireで直接つなげると、ショートして危険
実際には電池の内部抵抗 $r$ が存在するため真に無限大にはならないが、非常に大きな電流が流れ、発熱・発火・電池の劣化につながる

地面

地面の抵抗

基本的に地面は高抵抗だが、状況次第
- 地面が乾燥 ⇒ 高抵抗（数十kΩ〜MΩ）
- 湿潤 ⇒ 低抵抗（数百Ω程度まで下がることもある）
なので、地面が濡れている場合、地面を+-端子につなげると、ショートする危険がある
人体の抵抗も同様に可変（乾いた皮膚：数十kΩ、濡れた皮膚：数百Ω）

GNDと地面

電池の＋端子をGNDにすれば＋端子=0V、−端子=−5V
回路上のGNDと物理的な地面（earth）は概念として別物

接地（アース）の種類

実務上は「GND」「アース」という言葉が複数の意味で使われる。混同しないよう区別が必要。

種類	目的
信号GND	電位基準（回路の0V点）
保護接地（PE）	感電防止・筐体アース
機能接地	ノイズ除去のため意図的に大地に落とす
系統接地（中性線接地）	変圧器の中性線を大地に接続。これが中性線が0Vである理由

重要：家庭用コンセントの中性線が「大地に対してほぼ0V」なのは偶然ではなく、変圧器の中性線側が意図的に大地に接続（接地）されているから。

家庭用コンセント

家庭用コンセントの仕組み

2つの穴の意味は以下:

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右の短い穴：ホット線（電圧線）
左の長い穴：中性線（接地側）

それぞれの穴には次の電圧がかかっている。

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ホット線：大地に対して約100V（実効値）
中性線　：大地に対してほぼ0V（変圧器で接地されているため）

実効値（RMS）について

家庭用100Vは**実効値（RMS）**であり、瞬時値ではない。

$$V_{rms} = \frac{V_m}{\sqrt{2}}$$

ピーク電圧は：

$$V_m = 100\sqrt{2} \approx 141\text{V}$$

実効値とは「同じ電力を消費する直流電圧に換算した値」。

電気のつながる経路

例えば、電気ストーブなら、

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ホット線 → ヒーター線 → 中性線

という経路ができ、ヒーター線に電流が流れて熱が出る。

家庭用電源は交流（AC）なので電流の向きは1秒間に50回（東日本）または60回（西日本）入れ替わる。

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ホット線 ⇄ 機器 ⇄ 中性線

電圧の向きが周期的に変わりながら、機器にエネルギーを渡している。

瞬時電圧は：

$$v(t) = 141\sin(2\pi f t) \quad [V]$$

$f = 50$ または $60\text{ Hz}$。

コンセントが閉路になっている

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 電柱などの変圧器
┌──────────────┐
│ │
│ 二次側コイル │
│ │
└───┬──────┬───┘
 │ │（中性線側は大地に接続＝系統接地）
 ホット線 中性線
 │ │
 └─ 機器 ─┘

機器をコンセントに挿してスイッチを入れると、

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変圧器 → 電線 → 分電盤 → コンセント → 機器 → コンセント → 分電盤 → 電線 → 変圧器

という閉じた輪っかになる。

変圧器と電力系統の全体像

自宅で電気を使うと、回路は近くの柱上変圧器（画像の中のゴミバケツみたいなもの）まで戻っていく。

電力は発電所から家庭まで以下の経路で届く：

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発電所
 └→ 超高圧送電線（275〜500kV）
 └→ 一次変電所（66〜154kV）
 └→ 配電用変電所（6.6kV）
 └→ 柱上変圧器（100/200V）
 ├─ Aさんの家
 ├─ Bさんの家
 └─ Cさんの家

近所の複数の家が同じ柱上変圧器を共有している。

単相3線式

実際の家庭への引き込みは単相3線式が標準。

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ホット線1（+100V）─────┐
中性線（0V・接地）──── 分電盤 ──→ 100V機器 or 200V機器
ホット線2（-100V）─────┘

ホット線1と中性線の間：100V（一般コンセント・照明）
ホット線1とホット線2の間：200V（エアコン・IH・電気自動車充電）

感電の仕組み

なぜホット線を触ると感電するか

人間が地面に立っている＝大地に接続された状態。

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ホット線（100V）→ 人体 → 大地 → 変圧器の接地点（中性線）

この経路で閉回路が成立するため電流が流れる。中性線を触っても大地との電位差がないため感電しにくい（ただし状況次第）。

感電の危険度

電圧より電流値と経路・時間が重要：

電流値	身体への影響
1 mA	ピリッと感知できる程度
10 mA	筋肉硬直、自力で離れられない
50 mA	心室細動の危険性あり
100 mA〜	致死の可能性が高い

人体抵抗を仮に $1\text{ k}\Omega$ とすると、100Vで流れる電流は：

$$I = \frac{V}{R} = \frac{100}{1000} = 100\text{ mA}$$

十分に致死的な電流が流れうる。

アース線（保護接地）の役割

洗濯機・電子レンジなどの3ピンプラグにある緑の線（PE線）。

機器の金属筐体を大地に接続
漏電時に人体ではなくアース線に電流を流すことで感電を防ぐ
漏電遮断器（ELCB）と組み合わせることで、漏電電流が一定値（通常30mA）を超えると自動遮断

ノイズとGND設計（応用）

実際の電子回路では、GNDの引き回しがノイズに直結する。

GNDループ問題

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[回路A] ─── GND線 ─── [回路B]
 │ │
 GND点1 GND点2
 │ │
 └──── 大地 ─────────────┘

GND点1とGND点2の間にわずかな電位差があると、ループに電流が流れてノイズ源になる（GNDループ）。

対策：

シングルポイントGND（GNDを1点に集約）
PCB設計でのグランドプレーン（ベタGND）の使用
コモンモードフィルタの挿入

GNDについてまとめ

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GND（信号基準）
 ≠ 保護接地（PE）
 ≠ 大地（Earth）
 ↑ ただし系統接地を通じて大地と接続されている場合がある（中性線）

まとめると以下になる。

概念	実体
信号GND	回路の電圧基準点（0V定義）
中性線	変圧器の一端。大地に接続されているから0V
保護接地	筐体と大地をつなぐ安全機構
大地（Earth）	物理的な地面。巨大なキャパシタ・基準点として機能

参考文献

電気の危険性のメモ

Mon, 30 Oct 2023 00:25:04 +0900

Background

やっぱり電気は熱も発生するし火事の危険性もある
まだ電気工事していないのでアースもつないでいない
漏電も感電もしたくないので調べたメモ

用語

短絡

抵抗がほぼゼロで、電気が一気に流れすぎる状態
とても危険で、発熱や故障、火災の原因になる
いわゆるショート

高電圧

高電圧とは、電圧が高い状態のこと。

水圧が高いイメージ
電圧が高くなるほど、空気中を飛び越えて放電したり、人の体に電流を流したりしやすくなる
触らなくても危ないことがある電気の強さということ

過電流

過電流とは、本来流れるべき量を超えて電流が流れすぎる状態。

水の流量が多すぎるイメージ
過電流になると、電線や部品が発熱し、発火・焼損することがある
ブレーカーやヒューズは、この過電流を検知して回路を切るためのもの

致死レベルの電流

人体への危険性は電流量で決まる。

1mA：ピリッと感じる
10mA：筋肉が動かせなくなる
20〜30mA: 呼吸筋が麻痺→呼吸停止（これも致死的）
100mA：心室細動（命の危険）
1A：即死レベル

1A が人体を流れたら、確かに即死レベル。

人体の抵抗値

人体の抵抗はざっくり 1,000〜10,000Ω（皮膚の状態で大きく変わる）。

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乾いた手： V = 1A × 10,000Ω = 10,000V 必要
濡れた手： V = 1A × 1,000Ω = 1,000V 必要

つまり:

日常の100Vコンセントで流れる電流は実際には0.01〜0.1A程度
1Aを人体に流せるだけの高電圧環境でないと実際には起きない

なお、風呂場では、500Ω以下になることもあるらしいので注意。

コンセントは安全か？

じゃあコンセントの100Vは安全？→ NO

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100V ÷ 1,000Ω（濡れた手）= 0.1A = 100mA

100mAは心室細動を起こせる量
お風呂場や濡れた手でのコンセント接触が特に危ない理由がこれ

つまり、日常の100Vでも濡れた状態なら普通に致死的な電流が流れうる。

静電気のスペック

電圧：数千〜数万V（ドアノブで3,000〜10,000V）
電流：ほぼ0A（マイクロアンペア以下）
時間：一瞬（マイクロ秒）

乾いた冬場の静電気で人が死なない理由

電圧は高いけど電荷量が極小だから。

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電流I = Q/t

つまり、

電荷量Q = 電流I × 時間t

静電気は貯められる電荷が少ない。

人体の静電容量はざっくり 100〜200pF程度。

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Q = C × V = 200pF × 10,000V = 0.000,002C（2マイクロクーロン）

ものすごく少ない。一瞬で放電しきって終わり。

つまり、静電気が痛くても死なない理由は「電圧が低いから」ではなく、「エネルギーの総量＝電荷量が極小だから」。

感電が起きる条件

感電が起きる条件は「電流が体を通って大地（GND）に戻る回路が完成すること」。

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通常のコンセント：
 電源 → 人体 → 大地 → 電源 ← 回路が完成→感電！

トランス

コイルを2つ向かい合わせると、磁界を通じて電力を伝えられます。物理的に線がつながっていなくても電力が伝わるのがポイント。

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[電源側コイル] ~~~磁界~~~ [負荷側コイル]
 一次側 二次側

絶縁トランス

絶縁トランスとは「電気的につながっていない変圧器」のこと。
電圧を変えるのではなく、100V → 100V（同じ電圧）のまま出力する
目的は電圧変換ではなく「電気的な切り離し」

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通常のコンセント：
 電源 → 人体 → 大地 → 電源 ← 回路が完成→感電！

絶縁トランス経由：
 二次側は大地と切り離されているので
 人が触っても回路が完成しない → 電流が流れない

あくまで「大地を経由した感電」を防ぐもの。

アーク

空気中を電気が飛んで、火花や強い光・熱が出る現象
ふつう空気は電気を通しにくい
でも、電圧が高かったり、電流が大きかったり、接点が離れる瞬間などに、空気が一時的に電気を通す状態になる

イメージとしては、コンセントを抜くときに一瞬「バチッ」と光ることがあるが、あれの強い版がアーク。

配線の過熱

配線は過熱します。

理由は、電線にも少しだけ抵抗があるからです。電流が流れると、その抵抗で熱が出ます。

式でいうと、

$$ P=I^2 R $$

P：発熱する電力、単位 W
I：電流、単位 A
R：抵抗、単位 Ω
ポイントは、発熱は電流の2乗に比例する、ということ
つまり、電流が2倍になると発熱は4倍
電流が3倍になると発熱は9倍
細すぎる線は抵抗Rが大きくなるので、注意
また、電線の許容量があるので注意
接触不良もやタコ足配線も原因の一つ

接触不良

接触不良は、電気が通る部分の接触が悪くなること。

たとえば、以下みたいな状態。

プラグが奥まで刺さっていない
コンセントがゆるい
端子のネジがゆるい
プラグの金属部分が汚れている
コードの中で線が切れかけている
古い電源タップの差し込み口がガバガバ

接触が悪いと、その部分の抵抗が大きくなる。

言い換えると、電気の通り道が細く・不安定になって、その一点だけ熱くなる状態。

タコ足配線

タコ足配線は、1つのコンセントから電源タップなどでたくさんの機器をつなぐこと。

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壁コンセント
 ↓
電源タップ
 ├─ 電気ヒーター
 ├─ ドライヤー
 ├─ 電子レンジ
 ├─ PC
 └─ 充電器

問題は、つないだ機器の合計電流が大きくなること
家庭用コンセントや電源タップには、流せる電流の上限がある
たとえば日本の家庭用コンセントではよく 15A・1500Wまで などと書かれている

電力は、

$$ P=VI $$

なので、100Vで15Aなら、以下がMAX

$$ 100V×15A=1500W $$

つまり、電気ヒーター、電子レンジ、ドライヤーみたいな大電力機器を同じタップにまとめると、上限を超えてコードやタップが熱くなる。

言い換えると、1本の細い道路に車を大量に流しすぎる事。

電源タップのココらへんには注意

プラグが熱い
電源タップが熱い
焦げ臭い
差し込み口が変色している
抜き差しでバチッと火花が出る
プラグがゆるい
コードが曲がった部分だけ熱い

ブレーカーの種類

種類	何を検知するか	何を守るか
過電流ブレーカー	電流が多すぎる	配線・火災防止
漏電ブレーカー	電流が漏れている	人命・火災防止
アンペアブレーカー	契約電流を超えた	電力会社側の設備・契約容量の管理

過電流ブレーカー（安全ブレーカー）

タコ足配線や短絡で電流が流れすぎたときに回路を切るもの
壁コンセント回路ごとに1つついている（子ブレーカー）
例：キッチン用、リビング用、エアコン用など

漏電ブレーカー（漏電遮断器 / ELCB）

漏電＝電流が本来のルート以外に流れている状態を検知して切るもの。

仕組み：

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正常時：
 行き電流（L） = 帰り電流（N） → 差がゼロ → 問題なし

漏電時：
 行き電流 ＞ 帰り電流 → 差がある → 「どこかに電流が逃げた」→ 遮断

検知レベルは 15〜30mA（心室細動の手前で切る設計）
人命を守るために存在する
日本では1990年代以降の住宅には設置義務あり

アンペアブレーカー

電力会社との契約アンペア（30A、40A、60Aなど）を超えたときに落ちるもの
電力会社側の利益保護が主目的
最近はスマートメーターに統合されて物理的なブレーカーがない家も増えている

アース（接地）

アースとは電気機器の金属部分を、地面（大地）に導線でつなぐこと。
大地は電気的に見ると「どんな電流も吸い込む無限のGND」として機能する

機器の内部で絶縁が破れて金属ケースに電気が漏れた場合を考える。

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アースなし：
 漏れた電気がケースに溜まる
 → 人が触れた瞬間に人体を通って大地へ → 感電！

アースあり：
 漏れた電気はアース線を通って大地へ逃げる
 → 人が触れても電位差がない → 感電しない
 → 大電流がアース線に流れ → 漏電ブレーカーが検知 → 遮断

アースは漏電ブレーカーとセットで機能するもの
アースがないと漏電ブレーカーが検知できないケースもある

アース工事の種類

日本の電気設備技術基準では接地工事にはA〜D種がある。

種別	用途	接地抵抗
D種接地	家庭用機器・コンセントなど	100Ω以下
C種接地	300V超の低圧機器など	10Ω以下
A種接地	高圧機器など	より厳しい
B種接地	高圧・特別高圧と低圧の混触保護など	より厳しい

A種・B種は「高圧・特別高圧で使う接地」、C種・D種は主に低圧側で使う接地、という整理。

ブレーカーとアースの関係まとめ

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漏電発生
 ↓
アース線 → 電流が大地へ逃げる経路を作る
 ↓
漏電ブレーカー → その電流の漏れを検知して遮断
 ↓
人が守られる

アースなし・漏電ブレーカーあり → 検知できないことがある
アースあり・漏電ブレーカーなし → 遮断できない

まとめ

便利な電気だが罠が結構あるので注意
火災保険には入っているが火事にはなりたくない
偶にある切れた電線や、高電圧の周りには近づかないほうがいい

電気周りの復習メモ

Mon, 30 Oct 2023 00:25:04 +0900

Background

仕事でメカトロニクスの理解が必要になった
昔習ったが、もう電気を全く覚えていない
また、電子工作系の知識も不足している
漏電して感電するのも怖いので改めて学習した

電気

電気（Electricity）とは

電気は、電子やイオンなど、電荷を持つ粒子の動きや性質に関係している
とくに金属の中では、電子が動きやすく、その流れを利用したものが電気である

電気と水の例え

水にたとえると分かりやすい。

電流 = 水の流れる量
電圧 = 水を押し出す力、水圧
抵抗 = 水の流れにくさ、細い管や詰まりのようなもの

電気部品・概念	水の例え	イメージ
抵抗器	細い管	水の流れをわざと流れにくくする
可変抵抗	開き具合を変えられるバルブ	流れにくさを調整できる
インダクタ / コイル	重い水車・慣性のある水流	急に流れ始めたり止まったりするのを嫌う
コンデンサ / キャパシタ	一時的に水を貯めるタンク	電荷を一時的に蓄える
トランジスタ	小さな水流で大きなバルブを操作する装置	小さな信号で大きな流れを制御する
ブレーカー	自動停止バルブ	流れすぎたら自動で止める
IC	複雑な水路システム	多数の部品がまとまった回路
スイッチ	蛇口・バルブ	流れをON/OFFする
導線	水道管	電気の通り道
ダイオード	逆流防止弁	一方向にだけ流す
LED	水車＋ランプ	電流が流れると光る
電池	化学反応でポンプを動かすもの	電圧を作って電流を流す
負荷	水力エネルギーを使って仕事をするもの	例えば、電球やモーター、ヒーター

電気と野球の例え

野球のたとえで言うとわかりやすい。

野球・重力のたとえ	電気での対応	記号	単位	意味
野球ボール	電子のような粒子	—	—	実際に動くもの
ボールの質量	電荷	$Q$	C（クーロン）	電気的な「量」
場所の性質（高さ）	電位	$V$	V	電気的な高さ
高さの差	電圧・電位差	$\Delta V$	V	電荷を動かそうとする差
ボールの位置エネルギー	電気的エネルギー	$U=QV$	J	電荷が電位の場所で持つエネルギー
ボールをおける量（※1）	静電容量（キャパシティ）	$C_{cap}=\frac{Q}{V}$	F（ファラド）	電圧1Vあたり、どれだけ電荷を蓄えられるか
ボールが落ちるエネルギー	電荷が電圧を移動して得る/失うエネルギー	$\Delta U=Q \Delta V$	J	電圧によるエネルギー変化
たくさんのボールが毎秒どれくらい流れるか（※2）	電流	$I = Q/t$	A	1秒あたりに流れる電荷量

つまり、電位は、電子そのものの性質ではなく、「場所の性質」
また、電気のエネルギーは重力みたいなもの。「重さ x 高さ」だから。

※1: 坂の高さ1mあたり、どれくらいボールを置ける広さ・器の大きさ、みたいなもの。なお、コンデンサに実際に蓄えられるエネルギーは 1/2 QVで、単位はJ。
※2: 重さベースで。

オームの法則

オームの法則とは

これが電気の基本中の基本。

$$ V = I × R $$

V：電圧
I：電流
R：抵抗

たとえば、

電圧 10V
抵抗 5Ω

なら、電流は以下となる。

$$ 電流 = 10 / 5 = 2A $$

1. 電流（Current, I, A）

電気がどれくらい流れているかを表す。単位は アンペア（A） である。

たくさん流れる → 電流が大きい
少ししか流れない → 電流が小さい

Iで表現されるのは、current intensityから。

2. 電圧（Voltage, V, V）

電気を押し出す力である。単位は ボルト（V） である。

乾電池1本は約 1.5V である。家庭のコンセントは日本では普通 100V である。

電圧は電位差の事。

3. 抵抗（Resistance, R, Ω）

電気の流れにくさである。単位は オーム（Ω） である。

抵抗が大きい → 電気が流れにくい
抵抗が小さい → 電気が流れやすい

電流を制限するのに使う。

電力と電力量

電力（Power）とは？

電気がどれだけ仕事をするかを表すものである。単位は ワット（W） である。

式は以下である。

$$ P = V × I $$

P：電力
V：電圧
I：電流

たとえば、

100V
2A

なら、

100 × 2 = 200W

である。

これは「その機械が200W分のエネルギーを使う」という意味である。

電力量（Energy）とは

電力量は時間あたりの電力の事。単位はWh。

$$ E = P \times t $$

energy = power × timeという事。

例えば、1000Wの電子レンジを1時間使うと、1000Wh = 1kWh の電力量となる。

電力と電力量の違い

電力量との違いは以下の通りである。

電力（W）は、エネルギーそのものではなく、エネルギーを使う速さである
電力量（Wh, kWh）は、実際にどれだけエネルギーを使ったかを表す

電荷

電子と電荷の違い

電子は粒子、電荷はその粒子が持っている量
たとえば「水分子」と「水分子の質量」の関係に似ている

電荷（Charge、Q、C）

電荷は、物体や粒子が持つ「電気的な性質・量」
単位はクーロン（C: coulomb）。
単位のCは大文字なので注意

qの記法の違い：

q：電子1個などの小さな電荷
Q：まとまった電荷量

コンデンサの電荷

コンデンサに蓄えられる電荷は、次の式で表せる。

$$ Q = C_{cap} V $$

Q：蓄えられた電荷、単位はC
C_cap：静電容量（Capacitance）、単位はF
V：電位差、単位はV

電流は単位時間あたりの電荷量

電流は、単位時間あたりに流れる電荷量。

$$ I = \frac{dQ}{dt} $$

Q：電荷の量、単位はC
I：電流、単位はA
t：時間、単位はs

1単位

電子1つの電荷

電子1つの電荷は小さな電荷となる。

$$ −1.602×10^{−19}C $$

1C

1クーロンは1F ✕ 1Vとなる。

$$ 1C = 1F \times 1Volt $$

もしくは、

$$ Q = C_{cap} V $$

Q：蓄えられた電荷
C_cap：静電容量（Capacitance）、つまり電荷をどれだけ溜められるか
V：電位差

注意: Cは「量」、Fは「入れ物の大きさ」みたいなもの。

1V

1クーロンあたりの電気的な位置エネルギー。

$$ V=\frac{U}{q} $$

V：電位
U：電気的な位置エネルギー、単位はJ
q：電荷、単位はC

もしくは、

$$ 1V=\frac{1J}{C} $$

1ファラド

1ボルトの電圧をかけたときに、1クーロンの電荷を蓄えられる容量が1ファラド。

$$ 1F= \frac{1C}{V} $$

1クーロン

1クーロンの電子の個数は膨大になる。

$$ 1C≈6.24 \times 10^{18} $$

1A

1秒間に1クーロンの電荷が流れる電流が1アンペア。

$$ 1A = \frac{1C}{s} $$

つまり 1Aの電流では、断面を1秒間にだいたい

$$ 6.24 \times 10^{18} $$

個の電子に相当する電荷が通過している、ということ。

1W

$$ 1W = 1A \times 1V $$

1J

1Wの電力を1秒間消費すると、1Jのエネルギーを消費する。

$$ 1J = 1W \times 1s $$

4.2J

1gの水を1度温めるのに必要な仕事量は4.2J
なので、4.2秒間流して熱が伝わると、水が1度上がる

直流と交流

直流（DC）

電気が一定の向きに流れるものである。

例：

乾電池
モバイルバッテリー

交流（AC）

電気の流れる向きが周期的に入れ替わるものである。

例：

家庭のコンセント

回路

回路とは

電気は、ぐるっと一周できる道がないと流れない。この電気の通り道を回路という。

スイッチON → 道がつながる → 流れる
スイッチOFF → 道が切れる → 流れない

閉路

電荷が循環できる道
閉路がないと、電荷は少し移動して溜まり、逆向きの電場を作って止まる

電池の役割

電池は電荷を作るものではない、
電荷にエネルギーを与えて、+端子と-端子の間に電位差を維持するもの

直列回路と並列回路

直列回路（Series Circuit）

直列回路とは

部品を1本の道に一直線につないだ回路である。

例：

1

電池 → 抵抗1 → 抵抗2 → 戻る

直列回路の特徴

電流はどこでも同じである
電圧は分かれる
抵抗は足し算になる

合成抵抗の公式

$$ 合成抵抗 = R1 + R2 + … $$

直列回路の例

2Ωと3Ωの抵抗を直列につなぐと

合成抵抗 = 2 + 3 = 5Ω

10Vをかけると

$$ I = 10 / 5 = 2A $$

各抵抗にかかる電圧は

2Ωの抵抗：V = 2A × 2Ω = 4V
3Ωの抵抗：V = 2A × 3Ω = 6V

合計すると 4V + 6V = 10V となる。

並列回路（parallel circuit）

並列回路とは

部品を枝分かれするようにつないだ回路である。

並列回路の特徴

電圧はどの枝でも同じである
電流は分かれる
抵抗は小さくなる

合成抵抗の公式

$$ 合成抵抗R = \frac{1}{1/R1 + 1/R2 + …} $$

2つだけなら

$$ R = (R1 × R2) / (R1 + R2) $$

つまり、並列回路の合成抵抗は、つないだ抵抗の中で一番小さい抵抗よりもさらに小さくなる。

並列回路の例

例

6Ωと3Ωを並列につなぐと

$$ R = \frac{1}{1/6 + 1/3} = \frac{1}{3/6} = 2 $$

だから2Ωである。

電位と電圧

電位（Potential）

電位は「ある1点がどれだけ電気的に高い/低いか」を表す量。
英語では electric potential または単に potential

電圧（Voltage）

電圧は「2点間の電位の差」
英語では voltage または potential difference

$$ 電圧=電位差=V_A−V_BB $$

たとえば、地点Aの電位が 5V、地点Bの電位が 2V なら、A-B間の電圧は 3V 。

電位と電圧の違い

日本語	英語	意味
電位	electric potential / potential	1点の電気的な高さ
電圧	voltage / potential difference	2点間の電位の差

キルヒホッフの法則

電流則（キルヒホッフの第1法則）

英語だと、KCL: Kirchhoff’s current law、KCL
回路網中の任意の接続点に流出入する電流の和は 0（零）

$$ \sum_{k} I_k = 0 $$

電圧則（キルヒホッフの第2法則）

英語だと、KLV: Kirchhoff’s voltage law
回路網中の任意の閉路において、一巡する経路に含まれる起電力（電源）の総和と電圧降下の総和は等しい

$$ \sum_{k} V_k = 0 $$

基本的なイメージ

まとめ

電気の基礎は、まず以下の概念を押さえるとかなり楽になる。

項目	単位	水の例え	定義・イメージ
電荷 (Q)	クーロン (C)	水の量	電気の粒そのものの量
電位 (V)	ボルト (V)	水面の高さ	その地点の電荷が持つ「押す力」
電圧 (V)	ボルト (V)	水圧（高低差）	2点間の電位の差。電荷を動かす「駆動力」
電流 (I)	アンペア (A)	水の流れる量	電荷が移動するスピード（勢い）
抵抗 (R)	オーム (Ω)	ホースの細さ	電気の「流れにくさ」
電力 (P)	ワット (W)	水車を回す力	実際に使われる「エネルギーの大きさ」

まとめ

オームの法則しか習わなかったので電気を全然理解していなかった
漏電や感電したくないので、理解を進める