電気理論|on Note

電気とはどういうものなのか

物質を構成する原子は、原子核と電子から成る。

原子の中心に存在する原子核は、正の電気を持つ陽子と電気を持たない中性子の結合体である。そして原子核の周囲を、陽子と同数の、負の電気を持つ電子が回っている。

陽子1個の正の電気の量と電子1個の負の電気の量は同じである為、陽子全体の正の電気の量と、電子全体の負の量が同等となり中和されていることから、普段は電気の性質が物質に表れない。

原子において、電子は原子核の周りをいくつもの軌道を持って回っており、陽子からは離れそれだけ吸引力も弱い。外部からの刺激を受けると電子は軌道から飛び出し(軌道から飛び出した電子を自由電子と呼ぶ)、この時の原子は、陽子の数が電子の数より多くなり正の電気を持つことになる。

電流とは自由電子の移動である

正の電気を持つ物体Aと負の電気を持つ物体Bを電線で繋ぎ合わせた場合、物体Bから物体Aに電子の流れが生じる。これは、物体Aは電子の量が不足した(陽子の方が多い)状態で、物体Bは電子が余っている状態である為、物体Bの自由電子が電線を通り物体Aの電子の不足を補おうとする動きである。このような自由電子の移動が電流である。

電流の流れる方向は、電子が発見される前に正の電気の移動方向と定めた為、電子の移動方向である本来の方向とは逆方向となっている。

1秒間に1[クーロン]の電気量が流れた時、1[アンペア]の電流が流れたという。

1[C]は、6.241506×1018の電子に相当する電気量。

電圧とは電位の差である

電気の流れはよく水の流れに例えられるが、高い位置に置いた水槽Aと低い位置に置いた水槽Bをパイプで繋いだ場合、水は水槽Aから水槽Bに流れる。この時、地面からの各水槽の水位に相当するのが電位である。2つの水槽は異なる高さに置いているので、当然水位も異なっている。これらを比べた時の水位の差が電位差(電位の差)にあたる。水位差により水が流れるのと同様、電位差が生じている為に電流が流れることになる。

正の電気を持つ物体Aと負の電気を持つ物体Bを電線で繋いだ場合、電位の高い物体Aから電位の低い物体Bに電流は流れる。そして、物体Aと物体Bとの電位差が電圧である。つまり、電気の圧力である電圧によって自由電子が移動することになる。

電圧は、電荷(電気量)を移動させる仕事量である。1[C]の電荷が2点間を移動して1[ジュール]の仕事をする時、この2点間の電圧は1[ボルト]である。つまり、1[C]の電荷を移動させるのにV[J]の仕事が必要ならば、2点間の電位差はV[V]である。

オームの法則

回路に流れる電流I[A]は、加えた電圧V[V]に比例し、抵抗の大きさR[Ωオーム]に反比例する。この関係がオームの法則である。
I[A]=V/R・・・電流式

電流式を変形すると、
V[V]=IR・・・電圧式
R[Ω]=V/I・・・抵抗式