電圧と電流

前に述べたように、電荷の連続的な流れが発生する前に、単なる連続的な経路（つまり回路）以上のものが必要です。これらの電荷キャリアを回路の周りに押し出すための何らかの手段も必要です。チューブの中のビー玉やパイプの中の水と同じように、流れを開始するにはある種の影響力が必要です。電子の場合、この力は静電気で働く力と同じです。つまり、電荷の不均衡によって生成される力です。ワックスと羊毛をこすり合わせた例を見ると、ワックスの電子の過剰（負の電荷）と羊毛の電子の不足（正の電荷）が、それらの間の電荷の不均衡を生み出していることがわかります。この不均衡は、2つのオブジェクト間の引力として現れます：

帯電したワックスとウールの間に導電性ワイヤーを配置すると、ワックス内の過剰な電子の一部がワイヤーを駆け抜けてウールに戻り、そこで不足している電子を埋めるため、電子がその中を流れます。

ワックスの原子とウールの原子の間の電子の不均衡は、2つの材料の間に力を生み出します。電子がワックスからウールに流れる経路がないため、この力でできることは、2つのオブジェクトを引き付けることだけです。しかし、導体が絶縁ギャップを埋める今、その領域の電荷が中和され、ワックスとウールの間の力が減少するまで、力は電子を引き起こしてワイヤを均一な方向に流れます。これら2つの材料をこすり合わせることによって形成される電荷​​は、一定量のエネルギーを蓄えるのに役立ちます。このエネルギーは、低レベルの池から汲み上げられた高い貯水池に蓄えられたエネルギーと同じです。

重力が貯水池の水に与える影響により、水を再び下のレベルに移動させようとする力が発生します。適切なパイプが貯水池から池に戻る場合、水は重力の影響下で貯水池からパイプを通って流れ落ちます：

その水を低レベルの池から高レベルの貯水池に汲み上げるにはエネルギーが必要であり、配管を通って元のレベルに戻る水の動きは、前の汲み上げから蓄えられたエネルギーの放出を構成します。水がさらに高いレベルに汲み上げられると、それを行うのにさらに多くのエネルギーが必要になるため、より多くのエネルギーが蓄えられ、水がパイプを通って再び下に流れることができると、より多くのエネルギーが放出されます。

電子はそれほど違いはありません。ワックスとウールをこすり合わせると、電子が通常の「レベル」から「ポンプ」され、電子が元の位置を再確立しようとする（そして電子がそれらの中でバランスをとろうとするときに、ワックスとウールの間に力が存在する状態を作り出します）。それぞれの原子）。電子を引き付けて原子の正の原子核の周りの元の位置に戻す力は、重力が貯水池内の水に及ぼす力に類似しており、水を以前のレベルまで引き下げようとします。より高いレベルに水を汲み上げるとエネルギーが蓄えられるのと同じように、電子を「汲み上げ」て電荷の不均衡を作り出すと、その不均衡に一定量のエネルギーが蓄えられます。そして、水が貯水池の高さから逆流する方法を提供すると、その蓄積されたエネルギーが放出されるのと同じように、電子が元の「レベル」に逆流する方法を提供すると、蓄積されたエネルギーが放出されます。電荷担体がその静的な状態にあるとき（水が静止しているように、貯水池の高いところにあるように）、そこに蓄えられたエネルギーは位置エネルギーと呼ばれます。 、まだ完全には実現されていないリリースの可能性（可能性）があるためです。

電圧の概念を理解する

電荷担体がその静的な状態にあるとき（水が静止しているように、貯水池の高いところにあるように）、そこに蓄えられたエネルギーは、まだ完全には実現されていない放出の可能性（ポテンシャル）があるため、ポテンシャルエネルギーと呼ばれます。乾燥した日にゴム底の靴を布製のカーペットに擦り付けると、自分とカーペットの間に電荷の不均衡が生じます。足をこすり落とす動作は、元の場所から強制される電荷​​の不均衡の形でエネルギーを蓄積します。この電荷（静電気）は静止しているので、エネルギーがまったく蓄えられていることに気付くことはありません。ただし、金属製のドアノブ（電荷を中和するための電子移動度が高い）に手を置くと、蓄積されたエネルギーが突然の電荷の流れの形で放出され、電気ショック！電荷の不均衡の形で蓄積され、電荷キャリアを導体に流すことができるこの位置エネルギーは、電圧と呼ばれる用語として表すことができます。これは、技術的には、単位電荷あたりの位置エネルギーの尺度であり、物理学者が行うものです。特定の位置エネルギーを呼び出します。

電圧の定義

静電気の文脈で定義される電圧は、電荷のバランスを保とうとする力に対して、単位電荷をある場所から別の場所に移動するために必要な仕事の尺度です。電源のコンテキストでは、電圧は、導体を介して電荷を移動するために、単位電荷あたりに利用可能な（実行される作業）位置エネルギーの量です。電圧は位置エネルギーの表現であり、エネルギー放出の可能性または可能性を表します。電荷が1つの「レベル」から別の「レベル」に移動すると、常に2つのポイント間で参照されます。貯水池の例を考えてみましょう：

ドロップの高さの違いにより、場所1よりも場所2にパイプを介して貯水池からはるかに多くのエネルギーが放出される可能性があります。岩をドロップすることで原理を直感的に理解できます。激しい衝撃、1フィートの高さから落下した岩、または1マイルの高さから落下した同じ岩？明らかに、より高い高さの低下は、より多くのエネルギーを放出します（より激しい影響）。水の量を測定するだけでは、貯水池に蓄えられたエネルギーの量を評価することはできません。岩の重さを知るだけで、落下する岩の影響の深刻さを予測できます。どちらの場合も、どのようにはるか これらの質量は、最初の高さから低下します。質量を落とすことによって放出されるエネルギーの量は、間の距離に比例します。 その開始点と終了点。同様に、電荷キャリアをあるポイントから別のポイントに移動するために利用できる位置エネルギーは、これらの2つのポイントを基準にしています。したがって、電圧は常に間の量として表されます。 2点。興味深いことに、ある高さから別の高さへと潜在的に「降下」する質量のアナロジーは、2点間の電圧が電圧降下と呼ばれることがあるような適切なモデルです。 。

発電電圧

電圧は、特定の種類の材料を互いにこすり合わせる以外の方法で生成できます。化学反応、放射エネルギー、および導体への磁気の影響は、電圧を生成するいくつかの方法です。これらの3つの電圧源のそれぞれの例は、バッテリー、太陽電池、および発電機（自動車のボンネットの下にある「オルタネーター」ユニットなど）です。ここでは、これらの各電圧源がどのように機能するかについては詳しく説明しません。さらに重要なのは、電圧源を適用して電気回路に電荷の流れを作り出す方法を理解することです。化学電池のシンボルを取り上げて、段階的に回路を構築しましょう：

電圧源はどのように機能しますか？

バッテリーを含むすべての電圧源には、電気的接触のための2つのポイントがあります。この場合、上の図にはポイント1とポイント2があります。さまざまな長さの水平線は、これがバッテリーであることを示し、さらに、このバッテリーの電圧が電荷キャリアを回路に押し込もうとする方向を示します。バッテリー記号の水平線が分離して表示される（したがって、電荷の流れの経路として機能できない）という事実は、心配する必要はありません。実際には、これらの水平線は、液体または半固体の材料に浸された金属板を表しています。それは電荷を伝導するだけでなく、プレートと相互作用することによってそれらを押し進めるための電圧を生成します。バッテリー記号のすぐ左にある小さな「+」と「-」の記号に注意してください。バッテリーのマイナス（-）端は常にダッシュが最も短い端であり、バッテリーのプラス（+）端は常にダッシュが最も長い端です。バッテリーの正の端は、電荷キャリアをバッテリーから押し出そうとする端です（慣例により、電子が負に帯電していても、電荷キャリアは正に帯電していると考えていることに注意してください）。同様に、負の端は、電荷キャリアを引き付けようとする端です。バッテリーの「+」と「-」の端が何にも接続されていない場合、これらの2点間に電圧が発生しますが、電荷キャリアが移動できる連続した経路がないため、バッテリーを通る電荷の流れはありません。

同じ原理が貯水池とポンプの例えにも当てはまります。池に戻るパイプがなければ、貯水池に蓄えられたエネルギーを水流の形で放出することはできません。リザーバーが完全に満たされると、ポンプがどれだけの圧力を生成しても、流れは発生しなくなります。継続的な流れが発生するためには、水が池から貯水池に流れ、池に戻るための完全な経路（回路）が必要です。バッテリーの一方の端からもう一方の端にワイヤーを接続することで、バッテリーにこのような経路を提供できます。ワイヤーのループで回路を形成し、時計回りの方向に電荷の連続的な流れを開始します：

電流の概念を理解する

バッテリーが電圧を生成し続け、電気経路の連続性が損なわれない限り、電荷キャリアは回路内を流れ続けます。パイプを通って移動する水の比喩に従って、回路を通るこの連続的で均一な電荷の流れは、電流と呼ばれます。 。電圧源が同じ方向に「押し」続ける限り、電荷キャリアは回路内で同じ方向に移動し続けます。この一方向の電流の流れは、直流と呼ばれます。 、またはDC。この本シリーズの第2巻では、電流の方向が前後に切り替わる電気回路について説明します。交流 、またはAC。ただし、今のところは、DC回路だけに関心があります。電流は、管を通る大理石やパイプを通る水と同じように、電荷キャリアに沿って移動し、前方に押すことによって導体を一斉に流れる個々の電荷キャリアで構成されているため、単一回路全体の流量は同じになりますいつでも。単一の回路でワイヤの断面を監視し、流れる電荷キャリアを数えると、導体の長さや導体に関係なく、回路の他の部分とまったく同じ単位時間あたりの量に気付くでしょう。直径。回路の導通を切断した場合任意の時点で 、電流はループ全体で停止し、バッテリーによって生成された全電圧は、以前は接続されていたワイヤーの端の間で、ブレークの両端に現れます：

電圧降下の極性は何ですか？

回路の切れ目の端に描かれた「+」と「-」の記号、およびそれらがバッテリーの端子の横にある「+」と「-」の記号にどのように対応しているかに注意してください。これらのマーカーは、電圧が電流を押し込もうとする方向を示します。この潜在的な方向は、一般に極性と呼ばれます。 。電圧は常に2点間で相対的であることに注意してください。この事実のため、電圧降下の極性も2つのポイント間で相対的です。回路内のポイントに「+」または「-」のラベルが付けられるかどうかは、それが参照される他のポイントによって異なります。次の回路を見てください。ループの各コーナーには、参照用の番号が付いています。

ポイント2と3の間で回路の導通が途絶えると、ポイント2と3の間で降下する電圧の極性は、ポイント2では「+」、ポイント3では「-」になります。バッテリーの極性（1「+」と4「-」） ）は、ループを流れる電流を時計回りに1から2、3から4に押し上げ、再び1に戻そうとしています。ここで、ポイント2と3を再び接続して、ポイント3と4の間の回路を中断するとどうなるか見てみましょう。

3と4の間のブレークでは、これら2つのポイント間の電圧降下の極性は4の場合は「-」、3の場合は「+」です。ポイント3の「符号」が最初のポイントの「符号」と反対であることに特に注意してください。たとえば、ブレークがポイント2と3の間にあった場合（ポイント3には「-」のラベルが付いています）。電圧自体のように極性は単一のポイントに固有ではなく、常に2つのポイント間で相対的であるため、この回路のポイント3が常に「+」または「-」のいずれかになるとは言えません。

レビュー：

• 電荷キャリアは、静電気と同じ力で導体を流れるように動機付けることができます。
• 電圧は、2つの場所間の特定の位置エネルギー（単位電荷あたりの位置エネルギー）の測定値です。素人の言葉で言えば、それは充電を動機付けるために利用できる「プッシュ」の尺度です。
• 位置エネルギーの表現としての電圧は、常に2つの場所または点の間で相対的です。電圧降下と呼ばれることもあります。
• 電圧源が回路に接続されている場合、その電圧により、電流と呼ばれるその回路を介して電荷キャリアが均一に流れます。 。
• 単一（1ループ）回路では、任意のポイントの電流量は他のポイントの電流量と同じです。
• 電圧源を含む回路が遮断された場合、その電圧源の全電圧が遮断点の両端に現れます。
• 電圧降下の+/-方向は、極性と呼ばれます。 。また、2つのポイント間の相対的なものです。

関連するワークシート：

• 電圧、電流、抵抗のワークシート