電流とは何か

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電流とは何か

電流は、電子やイオンなどの帯電粒子が電気導体または空間を通過する流れとして定義されます。これは時間に対する電荷の流量です。電流は数学的に（例えば数式で）「I」または「i」という記号で表現されます。電流の単位はアンペアまたはアンプで、Aで表されます。

数学的には、時間に対する電荷の流量は以下の式で表すことができます。

$\begin{align*} I = \frac {dQ} {dt} \end{align*}$

つまり、電気導体または空間を通過する帯電粒子の流れを電流と呼びます。移動する帯電粒子は電子、ホール、イオンなど、チャージキャリアと呼ばれます。

電流の流れは導電性の媒体によって異なります。例えば：

導体では、電流の流れは電子によるものです。
半導体では、電流の流れは電子またはホールによるものです。
電解質では、電流の流れはイオンによるものです。
プラズマ—イオン化ガスでは、電流の流れはイオンおよび電子によるものです。

導電性の媒体に二点間に電位差が生じると、高い電位から低い電位へと電流が流れ始めます。電圧または電位差が高いほど、二点間の電流も大きくなります。

回路内の二点が同じ電位にある場合、電流は流れません。電流の大きさは二点間の電圧または電位差に依存します。したがって、電流は電圧の影響であると言えます。

電流は電磁界を生じ、これはインダクタ、トランスフォーマー、発電機、およびモーターに使用されます。導体では、電流が抵抗による加熱またはジュール加熱を引き起こし、これが白熱電球で光を生み出します。

時間変動する電流は電磁波を生じ、これは通信でデータを送信するために使用されます。

交流と直流

電荷の流れに基づいて、電流は交流 (AC)と直流 (DC)の2種類に分類されます。

交流

定期的に逆方向に流れる電荷の流れを交流（AC）と呼びます。交流はまた「AC Current」とも呼ばれます。ただし、技術的には同じことを二度言っていることになります。「AC Current Current」。

交流は定期的に方向を変える。

交流はゼロから始まり、最大値に達し、ゼロに戻り、反転して反対方向の最大値に達し、再び元の値に戻ってこのサイクルを無限に繰り返します。

交流の波形は正弦波、三角波、矩形波、鋸歯波などがあります。

波形の特徴は重要ではありません—繰り返される波形であればよいのです。

しかし、ほとんどの電気回路では、典型的な交流の波形は正弦波です。以下の画像に示されているような典型的な正弦波形の交流を見ることができます。

アルタネータは交流を生成することができます。アルタネータは、交流を生成するように設計された特殊な種類の電気発電機です。

交流電力は、産業および住宅用途で広く使用されています。

直流

電荷が一方方向に流れることを直流（DC）と呼びます。直流は「DC Current」とも呼ばれます。これは技術的には同じことを二度言っていることになりますが、「Direct Current Current」です。

直流は一方方向にしか流れないので、単方向電流とも呼ばれます。直流の波形は以下の画像に示されています。

直流はバッテリー、太陽電池、燃料電池、熱電対、コマキータイプの発電機などによって生成されます。交流は整流器を使用して直流に変換することができます。

直流電力は通常、低電圧の用途で使用されます。ほとんどの電子回路は直流電源を必要とします。

電流は何で測定されるか（電流単位）？

電流のSI単位はアンペアまたはアンプです。これはAで表されます。アンペアまたはアンプは、電流の基本SI単位です。アンペアという単位は、偉大な物理学者アンドレ・マリー・アンペールにちなんで名付けられました。

SIシステムでは、1アンペアは、1クーロン毎秒の速度で2点間を通過する電荷の流量を表します。したがって、

$\begin{align*} 1 \,\, Ampere = \frac {1\,\,Coulomb} {1\,\,Second} = \frac {C} {S} \end{align*}$

したがって、電流はクーロン毎秒またはC/Sで測定されます。

電流の公式

電流の基本的な公式は以下の通りです。

電流、電圧、抵抗の関係（オームの法則）
電流、電力、電圧の関係
電流、電力、抵抗の関係

これらの関係は以下の画像にまとめられています。

電流の公式1（オームの法則）

オームの法則によれば

$\begin{align*} V = I*R \end{align*}$

したがって

$\begin{align*} I = \frac{V}{R}\,\,A \end{align*}$

例

以下の回路図に示すように、 $24\,\,V$ の供給電圧が $12\,\,\Omega$ の抵抗抵抗に適用されています。抵抗器を流れる電流を決定してください。

解：

与えられたデータ： $V=24\,\,V ,\,\, R=12\,\,\Omega$

オームの法則によれば、

$\begin{align*} & I = \frac{V}{R} \\ & = \frac{24}{12} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

したがって、方程式を使用することで、抵抗を通る電流は $2\,\,A$ となります。

電流の公式2（電力と電圧）

転送される電力は、供給電圧と電流の積です。

$\begin{align*} P = V*I \end{align*}$

したがって、電流は電力除以电压所得。数学的に表すと、

$\begin{align*} I = \frac{P}{V}\,\,A \end{align*}$

ここで、 $A$ はアンペアまたはアンプ（電流の単位）を表します。

例

以下の回路図に示すように、 $24\,\,V$ の供給電圧が $48\,\,W$ のランプに適用されています。 $48\,\,W$ のランプの消費電流を決定します。解：

与えられたデータ： $V=24\,\,V ,\,\, P=48\,\,W$

公式によると、

$\begin{align*} & I = \frac{P}{V} \\ & = \frac{48}{24} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

したがって、上記の式を使用して $48\,\,W$ のランプの消費電流は $2\,\,A$ であることがわかります。

電流の公式3（電力と抵抗、オーム損失、抵抗加熱）

私たちは、 $P = V * I$

次にオームの法則 $V = I * R$ を上記の式に代入すると、

$\begin{align*} P = I^2*R \end{align*}$

したがって、電流は電力と抵抗の比の平方根である。数学的には、この公式は以下のようになる：

$\begin{align*} I = \sqrt{\frac{P}{R}}\,\,A \end{align*}$

例

以下の回路図で示すように、 $100\,\,W$ 、 $20\,\,\Omega$ のランプによって取り込まれる電流を決定せよ。

解：

与えられたデータ: $P=100\,\,W ,\,\, R=20\,\,\Omega$

上記の電流、電力、抵抗の関係に基づいて：

$\begin{align*} & I = \sqrt{\frac{P}{R}} \\ & = \sqrt{\frac{100}{20}} \\ & = \sqrt{5} \\ & I = 2.24\,\,A \end{align*}$

したがって、この方程式を使用して、 $100\,\,W$ 、 $20\,\,\Omega$ のランプの電流は $2.24\,\,A$ である。

電流の次元

質量 (M)、長さ (L)、時間 (T)、アンペア (A) における電流の次元は $M^0L^0T^-^1Q$ で表されます。

電流 (I) は、クーロン毎秒を表しています。したがって、

$\begin{align*} I = \frac{Q}{t} = \frac{[Q]}{[T]} = QT^-^1 = M^0L^0T^-^1Q \end{align*}$

従来の電流と電子の流れ

従来の電流の流れと電子の流れについて、少し誤解があります。両者の違いを理解してみましょう。

導体を通る電荷を運ぶ粒子は、移動可能なまたは自由な電子です。電界の方向は、定義上、正のテスト電荷が押される方向です。したがって、これらの負の電荷粒子、つまり電子は、電界とは反対の方向に流れます。

電子理論によれば、導体に電圧または電位差が印加されると、帯電粒子が回路を流れ、これが電流を構成します。

これらの帯電粒子は、高い電位から低い電位へ、つまりバッテリーの正極から負極へ外部回路を通じて流れます。

しかし、金属導体では、正の電荷を持つ粒子は固定位置に保たれ、負の電荷を持つ粒子、つまり電子は自由に動くことができます。半導体では、帯電粒子の流れは正でも負でもあります。

正の電荷キャリアと負の電荷キャリアが反対方向に流れるとき、電気回路での効果は同じです。電流の流れは正または負の電荷、または両方によるため、電荷キャリアの種類に関係なく、電流の方向に関する規則が必要です。

従来の電流の方向は、正の電荷キャリアが流れることで定義されます。つまり、高い電位から低い電位へです。したがって、負の電荷キャリア、つまり電子は、従来の電流の流れとは反対の方向、つまり低い電位から高い電位へ流れます。従って、従来の電流と電子の流れは逆方向となります。これは以下の画像で示されています。

direction of coventional current and electron flow — 従来の電流と電子の流れの方向

通常の電流: バッテリーの正極から負極へと正電荷が流れることを通常の電流と呼びます。
電子流: 電子の流れは電子流と呼ばれます。負電荷を持つ電子がバッテリーの負極から正極へと流れるのが電子流です。電子流は通常の電流の流れとは逆方向です。

通常の電流と電子流の方向は以下の画像に示されています。

対流電流と伝導電流

対流電流

対流電流とは液体、ガス、または真空などの絶縁体を介して流れる電流を指します。

対流電流は導体を必要としないため、オームの法則を満たしません。オームの法則。対流電流の一例として、カソードから放出された電子が真空管内でアノードへと流れる真空管があります。

伝導電流

導体を通る電流を伝導電流と呼びます。伝導電流は導体を必要とするため、オームの法則を満たします。

移動電流

抵抗とコンデンサーが電圧源Vと並列に接続されている場合を考えます。コンデンサーを通過する電流の性質は抵抗を通過するものとは異なります。

抵抗の両端にかかる電圧または電位差により、連続的な電流が生じ、その電流は以下の式で与えられます。

$\begin{align*} I_1 = \frac{V}{R} \end{align*}$

この電流は「伝導電流」と呼ばれます。

コンデンサーを通過する電流は、コンデンサーにかかる電圧が変化するときにのみ流れ、その関係は以下の式で表されます。

$\begin{align*} I_2 = \frac{dQ}{dt} = C \frac{dV}{dt} \end{align*}$

この電流は「移動電流」と呼ばれます。

物理的には、移動電流は電荷のような物理量の流れがないため、実際の電流ではありません。

電流の測定方法

電気回路や電子回路において、電流の測定は重要なパラメータです。

電流を測定できる装置はアムメーターと呼ばれています。アムメーターは、測定したい電流のある回路に直列接続する必要があります。

抵抗器を用いた電流の測定方法は以下の図に示されています。

ガルバノメーターを使用して電流を測定することもできます。ガルバノメーターは、電流の方向と大きさの両方を示します。

電流は、回路を切断せずに磁場を検出することで測定することができます。回路を切断せずに電流を測定するための様々な装置があります。

電流に関する一般的な質問

電流に関連するいくつかの一般的な質問について学びましょう。

何が電磁石を使用して電流を測定するか？

ガルバノメータは、電磁石を使用して電流を測定する測定機器です。

ガルバノメータは絶対的な計測器であり、偏角のタンジェントで電流を測定します。

ガルバノメータは直接電流を測定できますが、これには回路を切断する必要があり、時には不便です。

電流がどのように磁力を生み出すか？

磁場内にある通電導線は、電流が電荷の流れであるため、力を受けます。

以下の図(a)に示すように、電流が流れている導線を考えると、フレミングの右手の法則によれば、この電流は時計回りの磁場を生み出します。

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電流によって生じる磁力

導線の磁場の結果として、導線の上部では磁場が強くなり、下部では弱くなります。

磁力線は伸びたゴムバンドのように働くため、導線を下方に押し、つまり力は下方に作用します（図(b)参照）。

この例は、磁場内の電流を流す導体が力を受けることを示しています。次の式は、電流を流す導体に対する磁気力の大きさを決定します。

$\begin{align*} F_B = BIL\,\,Sin\theta \end{align*}$

電流を流すためには以下の条件が必要です

電流を流すためには、以下の条件が必要です。

2点間の電位差。回路内の2点が同じ電位であれば、電流は流れません。
バッテリーやセルなどの電圧源または電流源があり、これが自由電子を強制し、それらが電流を構成します。
電荷を運ぶ導体またはワイヤー。
回路は閉じているか完全である必要があります。回路が開いていると、電流は流れません。

これらが電流を流すために必要な条件です。下の画像は、閉回路内で電流が流れている様子を示しています。

電流と静電気の違いを最もよく説明するものは何ですか

電流と静電気の主な違いは、電流では電子または電荷が導体を通過して流れることです。

一方、静電気では、電荷は静止しており、物質の表面に蓄積されます。

電流は電子の流れによって生じますが、静電気は物体から別の物体への負の電荷によって生じます。

電流は導体でしか発生しませんが、静電気は導体や絶縁体の両方で発生します。

電流が磁極にどのように影響を与えるか

電流が流れると、つまり電荷が動くと、磁場が生じることが知られています。磁石を磁場に置くと、力が働きます。

電荷、つまり電流においては、同じ磁極が引き寄せ合い、異なる磁極が反発します。したがって、電流は磁場を通じて磁極に影響を与えると言えます。

電流を測定するために使用される器具

電流を測定するための器具はアンペアメータと呼ばれます。アンペアメータは、測定したい回路に直列で接続する必要があります。

他の様々な器具もまた電流の測定に使用されます。

ホール効果電流センサトランスデューサ
電流変換器 (CT) (交流のみ)
クランプオンメータ
シャント抵抗
磁気抵抗フィールドセンサ

出典: Electrical4u

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