システムの電圧とは何を意味し、電圧はどのようにして電流を通じて流れますか。

システム電圧の意味

定義

システム電圧とは、電力システム（例えば供給電源システムや電子回路システムなど）内の特定の点間の電位差を指します。電力システムにおいては、通常、グリッド内の特定の相または線間の電圧を指します。例えば、三相四線式低圧配電システムでは、相電圧（火線と中性線間の電圧）が220V、線電圧（火線と火線間の電圧）が380Vであり、これらはシステム電圧の典型的な値です。

影響

システム電圧は、電気システムのエネルギー状態を測る重要な指標です。それはシステムが負荷に提供できる電力の量と、電力伝送の効率を決定します。異なる電気機器は、その定格電圧下でのみ正常に動作します。例えば、定格電圧220Vの電球の場合、システム電圧が220Vから大きく逸脱すると、電球の明るさと寿命に影響が出ます。

決定要因

システム電圧の大きさは、発電設備（例えば発電機）の出力電圧、変圧器の変比、および電力送配過程における各種調整装置によって決定されます。発電所では、発電機が一定の電圧の電力を生成し、これを昇圧変圧器によって長距離送電に適したレベルに上げ、その後降圧変圧器によってユーザーの機器で使用可能なレベルまで下げて顧客に届けられます。

電圧と電流の関係（「電圧が電流をどのように流すか」の表現は正確ではありませんが、電圧の作用下で電流がどのように生成され、流れ出すか）

微視的メカニズム（金属導体を例にとって）

金属導体には大量の自由電子が存在しています。導体の両端に電圧があるとき、これは導体内に電場を設けることに相当します。電場力の作用により、電場は自由電子に力を及ぼし、自由電子が方向性を持って移動することで電流が形成されます。電圧は自由電子が方向性を持って移動するための駆動力であり、水道管に水圧があるとき、水が水圧が高いところから低いところへ流れるように、電子は電位が低いところから高いところへ流れます（電流の方向は正電荷の移動方向として規定されているため、実際の電子の移動方向とは逆になります）。

オームの法則

オームの法則I=V/Rによれば、（ここでIは電流、Uは電圧、Rは抵抗）、一定の抵抗の場合、電圧が大きいほど電流も大きくなります。これにより、電圧と電流の間に定量的な関係があり、電圧が電流の原因であり、電流の大きさは電圧と抵抗の大きさに依存することが示されます。例えば、単純な回路で、抵抗が10Ω、電圧が10Vの場合、オームの法則により電流は1Aと計算できます。電圧が20Vに上がり、抵抗が変わらない場合、電流は2Aになります。

回路内での状況

完全な回路では、電源が電圧を提供し、これが回路内の様々な部品（例えば抵抗、コンデンサ、インダクタなど）に作用します。回路が閉じられると、電流は電源の正極から始まり、様々な回路部品を通って電源の負極に戻ります。この過程で、電圧は異なる部品の両端に分配され、各部品の電流はその特性（例えば抵抗値、コンデンサの容量リアクタンス、インダクタのインダクティブリアクタンスなど）に基づいて決定されます。例えば、直列回路では、全ての場所で電流は等しく、電圧は抵抗に比例して各抵抗に分配されます。並列回路では、全ての場所で電圧が等しく、全電流は枝分かれ電流の合計に等しくなります。