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初級講習用指導書(電気工学の基礎編)

 事業名 船舶の電気装備に関する技術指導
 団体名 日本船舶電装協会 注目度注目度5


1・7 電流
 
図1・13
 
 図1・13のように乾電池の+端子と−端子とを電線で、豆電球を介して接続すれば電流は図に示す矢の方向に流れ豆電球は点灯する。この場合自由電子(−e)は1・5・2において述べたように−端子から+端子へ移動する。
 電流の大きさは導体を1秒間に流れる電気量の多少で決められ、単位にアンペア〔単位記号A〕が用いられる。
 したがって、1アンペア〔A〕は毎秒1クーロン〔C〕の割合で電気量(1・3参照のこと)が移動するような電流の大きさである。
注:
計算によれば6.25×1018個の電子が毎秒負電荷から正電荷に移動するのが1アンペアといってよい。
 一般に導体の断面積を流れる電流I〔A〕とt秒間にQ〔C〕の電気量が移動すれば次の関係式となる。
I 電流〔A〕
Q 電荷〔C〕
t 時間〔S〕
 電流の方向は電荷の移動する方向によって次のように決められている。
(1)正電荷が移動する場合は、その移動する方向を電流の方向とする。
 
上図のようになる。
 
(2)負電荷が移動する場合は、その移動する方向と反対の方向を電流の方向とする。
 
上図のようになる。
 
1・8 電気抵抗
 図1・14においてA水槽の水はB水槽の方へ甲管又は乙管を通って流れ込むものとし、水は水源池から絶えず補給される。この場合甲管は乙管に比べて5倍の断面積の太さの管であるとすれば、甲管で水を流す場合は乙管で流す場合より5倍だけ多量の水が流れ、それだけ早くB水槽を満すことができることが想像される。このような考え方を電気の場合にもあてはめることができる。水頭差は電圧差、管の断面積の太さを導体の断面積の太さにおきかえ、甲管を甲導体、乙管を乙導体とすれば甲導体は乙導体より5倍の電流を流しうることになる。
 
図1・14
 
 また、管の長さを想定すれば長さが長い程水の抵抗も増すと同様に電流の場合も導体の長さが長ければそれだけ電気抵抗も増すことになる。
 このように考えれば導体の中に電流が流れると、これを妨げる性質があってこれを電気抵抗又は単に抵抗という。
 抵抗の単位はオーム(単位記号Ω)を用いる。「1オーム(Ω)とは導体の両端に1ボルト〔V〕の電圧を加えたとき1アンペア〔A〕の電流が流れるような導体の抵抗をいう」そして導体の抵抗は次のような関係式がある。
l 長さ〔m〕
S 断面積〔m2
R 導体抵抗〔Ω〕
ρ 比例定数
 導体の抵抗は導体の材質によって違いがあり(図1・8参照のこと)同じ材質でも、上式でわかるように、長さlに比例し、断面積Sに反比例する。なお、比例定数・に比例する。
 比例定数・は断面積1〔m2〕長さ1〔m〕の導体の抵抗に相当し、材質と温度で定まるもので、物質の特有の値である。これをその物質の抵抗率と呼んでいる。(図1・8参照のこと。)
 単位にはオームメートル〔Ωm〕を用いている。
注:抵抗を電子の移動からみた場合
 導体中原子が整然と格子状に並んでいて、静止していれば、電子の移動に抵抗はないが、実際には原子は己の位置附近で、不規則に熱運動をしているため、電子がこれと衝突し運動を妨げられる結果抵抗が生ずる。したがって、極低温になれば熱運動は弱くなり抵抗は少なくなる。
 
1・9 オームの法則と電気回路
1・9・1 オームの法則
 1827年ドイツのオームが電圧、電流及び抵抗の三つの関係について実験的に次の法則を発見した。これをオームの法則という。電気工学では忘れることのできない重要な法則である。
 
図1・15
 
 図1・15について説明すれば、導体A、B、2点間に流れる電流の大きさ〔I〕は、その間の電圧〔V〕に比例し、かつ、導体抵抗〔R〕に反比例するということである。式で表わせば次のようになる。
(1)電流を求める式
電流=電圧/抵抗、I=V/R〔A〕・・・(1・5)
I 電流〔A〕
V 電圧〔V〕
R 抵抗〔Ω〕
 上式を変形して(2)、(3)が求められる。
(2)電圧を求める式
電圧=電流×抵抗、V=I・R〔V〕・・・(1・6)
(3)抵抗を求める式
〔例題〕
(1)導体2点間の電圧が100〔V〕、抵抗が10〔Ω〕のときの電流は何〔A〕か。
〔解〕
(2)導体2点間に流れる電流が10〔A〕、抵抗が5〔Ω〕のときの電圧は何〔V〕か。
〔解〕 10×5=50〔V〕
(3)導体2点間の電圧が100〔V〕、流れる電流が5〔A〕のときの抵抗は〔Ω〕か。
〔解〕
 
1・9・2 電気回路
 電動機、電灯等(電気負荷又は単に負荷という。)を働かせるためには、これらの負荷に電流を流さねばならない。電流を流すためには、電圧を加えねばならない、電圧を加えるためには、電圧発生のために電源を必要とする。これらの関係を図示すれば図1・16のようになる。
 
 
図1・16
 
 この図においてスイッチを閉じれば、電流が流れ電灯は点灯しモータは回転する。このように、電流を流すためには環状の電流の通路を必要とする。これを電気回路という。スイッチを閉じた状態を電気回路を閉じる(又は閉回路、閉路という。)といい、スイッチを開いた状態を電気回路を開く(又は開路ともいう。)という。
 
1・10 電気の発生
 電気はどのようにして発生するかを分類して考えよう。
(1)ある物体を摩擦によって電荷が発生することは1・3で述べたとおりである。
(2)電磁誘導作用すなわち磁力線(1・2参照のこと。)と導体との相互作用によって電気が発生する、後述するが発電機の原理である。
(3)化学作用によって電気が発生する。蓄電池、乾電池等はこの作用を応用したものである。
(4)熱電現象によって電気が発生する。すなわち二種類の金属接合点に他端と違った温度を与えれば、その他端に起電力が発生して電流が流れる。これをゼーベック効果といい、1821年ドイツのゼーベックが発見し、その後イタリアのノビリがこれを応用して熱電対を作り、温度測定に使い、現在でもパイロメータといい使用されている。
(5)半導体に光のエネルギーをあてると、両端間に電位差すなわち光起電力が発生する。これを応用したものに光電池、太陽電池等がある。
(6)ロッシエル塩、チタン酸バリウムなど結晶面に力を加えると電極間に電荷が生じる。
 また、電界を掛けると結晶にひずみが生ずる。これを圧電気現象という。
 これを応用したものに音響測深機等がある。
 以上のような作用及び現象を巧みにいろいろの方面に役立たせている。したがって、電気工学の社会に対する貢献度は大なるものがあるとみなければならない。







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