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平成15年度 通信講習用 船舶電気装備技術講座(電気工学の基礎編、初級)

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


5・3 電力
5・3・1 水の仕事と電気の仕事
 
図5・11
 
 図5・11(a)と(b)とは, (a)は水の仕事, (b)は電気の仕事を図解したものである。
 いま, 図5・11(a)について述べれば水圧があって, コックを開けば水が流れ, 水車を回わし, 水車は仕事をする。その仕事の量は, 水圧の大きさと, 水の多少によって決まる。電気の場合は, スイッチを閉じれば図5・11(b)のように電源の電圧V〔V〕の大小と流れる電流I〔A〕の大小によって電熱器上のやかんの湯が早く沸くか遅く沸くか, 即ち仕事の大小が決まる。以上述べた事柄から電力を考えよう。
 電気工学では電力とは1秒間にする電気的仕事量である。
 電力の単位にはワット〔単位記号W〕を用いる。この意味は1〔V〕の電圧で1〔A〕の電流を単位時間1〔秒間〕流したときの電力に等しい。これは次のように表される。
 電力の記号をPとすれば
P=V・I〔W〕・・・(5・5)
 図5・11(b)においてオームの法則により
 
 
とおけるから
(5・5)式は
 
 
 また, 同様にV=IRであるから
(5・5)式から
P=I2R〔W〕・・・(5・7)
となる。上記3式は電力の計算式である。
電力の単位〔W〕は小さいので103〔W〕=〔kW〕(キロワット)が多く用いられる。
〔例題〕(1)20〔Ω〕の抵抗に10〔A〕の電流が流れているときの電力は何〔kW〕か。
〔解〕(5・7)式からP=102×20=2000〔W〕=2〔kW〕
〔例題〕(2)ある抵抗に100〔V〕の直流電圧を加えたら, 20〔A〕の電流が流れた。
 このときの電力は何〔kW〕か。
〔解〕(5・5)式からP=100×20=2000〔W〕=2〔kW〕
 
5・4 ジュール熱, ジュールの法則
 図5・11(b)において, 電熱器の抵抗R〔Ω〕のところに電流I〔A〕を流せば, そこに熱が発生することはよく知られている。導体間を移動する自由電子が周囲の原子に衝突して原子の振動がはげしくなるために発生する熱であると考えられる。これを電流の熱作用という。
 この発生する熱量は, その回路の電気抵抗R〔Ω〕と, 流れる電流I〔A〕及び流れる時間t〔s〕に関係する。このような熱をジュール熱といい, ジュールの単位を用い単位記号〔J〕が使用される。
 よって, t秒〔s〕間に発生する熱量は次式で表される,
H=RI2t〔J〕・・・(5・8)
 この(5・8)式をジュールの法則という。
 この法則は1843年イギリスのジュールが発見したものである。
 なお, 従来は熱量Hにはカロリー〔単位記号cal〕が単位として使用されていたが, 国際単位系(略称SI単位)を基本にした新計量法により, 平成11年10月1日からは, カロリーの代りにジュール〔単位記号J〕を使用することになった。従って, 今後の熱量計算では, (5・8)式を熱の仕事当量J: 4.186〔J/cal〕で除さないことになる。
 
 電力Pがある時間の間に仕事をする量を電力量という。電力量の単位にはワット秒〔単位記号Ws〕又はキロワット時〔単位記号kWh〕が使われる。すなわち, ワット秒〔Ws〕は1〔W〕の電力を1秒間使用したときの電気エネルギーであって, 1ジュール〔J〕に相当する。
 1キロワット時〔kWh〕は1〔kW〕の電力を1時間〔h〕使用したときの電気エネルギーであって, 1〔Ws〕と1〔kWh〕との間には次の関係がある。
1〔kWh〕=3600×103=3.6×106〔Ws〕=3.6×106〔J〕・・・(5・9)
電力が時間的に一定であれば,
電力量=電力P×時間t・・・(5・10)
通常はキロワット時〔kWh〕が多く用いられる。
〔例題〕500〔W〕の電力を消費する電熱器を10時間連続して使用したときの使用電力量は何〔kWh〕か。また, この電熱器の1時間の発生熱量は何キロジュールか。
〔解〕電力量Pt=0.5×10=5〔kWh〕
熱量H=500×3600=1800000〔J〕
ここで1000J=1kJ(キロジュール)であるから
  H=1800〔kJ〕
 
 
図5・12
 
 図5・12において, 赤外線電球はその放射照度を利用して物体の乾燥用に作られた電球である。したがって, 可視光線は必要でないからフィラメントの温度を下げて熱線を多く出すようにした放射効率のよい電球である。
 この場合, 電球に入る電力は図においてW=100×2.5=250〔W〕
 しかし, 放射効率はこの電球の特性から約80〔%〕とすれば, 実際に乾燥に役立つ出力=250×0.8=200〔W〕といえよう。そして50〔W〕がどこかに失われた電力となる。これを損失という。これらの事がらから次の関係が成り立つ
出力=効率×入力・・・(5・11)
 
 
以上の関係式は発電機及び電動機によく使用される。
〔例題〕(1)100〔kW〕の電動機がある。その効率を90〔%〕とすればその入力は何〔kW〕か。
〔解〕
 
 
〔例題〕(2)入力50〔kW〕の発電機効率が80〔%〕のとき, その出力は何〔kW〕か。
〔解〕出力=0.8×50=40〔kW〕
 
 
図5・13
 
 これは1821年ドイツのゼーベックが発見した現象で, 図5-13において2種の金属で回路を作り二つの接合点の一方を高温にすれば接合点の温度差によって熱起電力が発生し, 熱電流が流れる。この現象をゼーベック効果といい, このような素子を熱電対(サーモカツプル)という。
 エンジンのシリンダー内の高温度測定に利用され, 熱電対温度計はこの応用である。
 
図5・14
 
 これは1834年フランスのペルチエが発見した現象で, 図5・14において2種の金属に電源を入れ一つの回路をつくる。
 二種の金属の接触面では接触電位差がおこるが, この電位差と逆方向に電流Iを流せば, その面で発熱し, また, 同方向に流せばその面で熱が吸収される。この現象をペルチエ効果という。これを利用したものに電子冷却器がある。
注:接触電位差
 温度均一な異種金属を接触させるとそこは電圧差が現れる。例えば, 温度均一の銅棒と亜鉛棒を接触させると, その間に約0.75V電圧差が現れる。
 そして, 亜鉛棒の方が高電位となる。
 
(1)直流の種類をあげ, それぞれを簡単に説明せよ。
(2)平滑回路の役目をのべよ。そしてこれにはどんな種類があるか。
(3)オームの法則の関係式をあげ, これを説明せよ。
(4)電圧降下とはどんなものか述べよ。
(5)電力の計算式に三つの形がある。これを示せ。
(6)ジュール熱とは何か。また, ジュールの法則を示せ。
(7)電力量とはどんなものか述べよ。
(8)効率について説明せよ。
(9)ゼーベック効果を説明せよ。
(10)ペルチエ効果を説明せよ。







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