電気とは何かと電気の生成と使用方法

人間文明を変える発明がいくつかあります。最初の発明は車輪、二つ目の発明は電気、三つ目の発明は通信、そして四つ目の発明はコンピュータです。ここでは、電気の基本的な導入について説明します。この宇宙にあるすべての物質は多数の原子で構成されており、各原子には負の電子と正のプロトンが同じ数存在します。

したがって、中性の物質には常に同じ数の電子とプロトンが含まれていると言えます。プロトンは動かず、原子核に強く結合しています。電子も原子に束縛され、異なるレベルで原子核の周りを回っています。しかし、外部の影響により一部の電子は自由に動いたり、軌道から抜け出したりすることがあります。これらの自由な電子や弱く結合している電子が電気を引き起こします。

中性状態では、任意の物質の電子とプロトンの数は同じです。しかし、何らかの理由で物質中の電子の数がプロトンの数よりも多くなると、その物質は負に帯電します。これは、各電子のネット電荷が負であるためです。一方、電子の数がプロトンの数よりも少ないと、物質は正に帯電します。

自由電子の濃度は常に均一になるように働きかけます。これが電気の唯一の理由です。詳しく説明しましょう。もし異なる電荷を持つ2つの導体が接触すると、電子濃度が高い方から低い方に電子が移動し、両者の電子濃度をバランスさせます。この電荷（電子は帯電粒子）の移動が電気です。

電気に関連する用語

1. 電荷: 中性の物体では、電子とプロトンの数は等しいです。電子とプロトンの負の電荷と正の電荷の量も等しく、それぞれの電荷の数値は等しいですが、極性は逆です。何らかの理由で、物体内の電子とプロトンのバランスが崩れると、物体は電気的に帯電します。電子の数がプロトンの数より多い場合、物体は負に帯電し、その電荷量は物体内の過剰な電子の数に依存します。同様に、物体の正の電荷についても説明できます。ここで、電子の数がプロトンの数よりも少ない場合、物体は正に帯電します。物体の正の電荷量は、プロトンと電子の差によって決まります。

2. 電流: 電荷が一点から別の点へ流れ、均一な電荷分布を作るとき、その電荷の流れの速度を電流と呼びます。この速度は主に、二点間の帯電状態の違いと、電荷が流れる経路の条件に依存します。電流の単位はアンペアで、これはクーロン/秒に相当します。

3. 電位: 物体の帯電状態のレベルを電位と呼びます。物体が帯電すると、何か仕事をする能力を得ます。電位は、帯電体が働く能力の測定です。導体内を流れる電流は、導体の両端の電位差と、電荷が流れる経路の条件に直接比例します。電位は、二つの水槽がパイプで接続されている場合の水位の差に例えることができます。高い水槽から低い水槽への水流の速度は、水槽の水位差または頭部差に依存し、水槽に貯蔵された水量には依存しません。同様に、二つの物体間の電流は、物体間の電位差に依存し、物体に蓄積された電荷量には依存しません。

4. 電界: 二つの近接した帯電体の間に常に力が働きます。この力は、二つの物体の電荷の性質によって引きつけ合ったり、反発したりします。帯電体が別の帯電体の近くに入ると、この力が実際には感じられます。帯電体の周囲には、他の帯電体が力を感じる空間があり、これを前者の体の電界と呼びます。

上記の4つの用語は、電気の主要なパラメータです。

私たちは一般的に3つの基本的な方法で電気を生成します。

1. 電磁機械的過程: 導体が磁場内で動くとき、導体が磁場の磁束線を切断すると、導体内に電気が生成されます。この原理に基づいて、すべての電気発電機、例えば直流発電機、交流発電機、およびすべての種類のダイナモが動作します。

2. 電気化学的過程: すべてのバッテリーの種類では、化学反応により電気が生成されます。ここでは、化学エネルギーが電気エネルギーに変換されます。

3. 固体状態での電気生成: これは最も現代的な電力生成の過程です。ここでは、PN接合で自由電子とホールが生成され、PN接合に露出すると、チャージキャリアの分布が不均衡になります。これらの自由電子とホール、およびそれらの不均衡な分布が外部回路で電気を生成します。この原理に基づいて、PV太陽光セルが動作します。

電気の種類

1. 発電機のアーマチュアで生成される電気は常に交流です。つまり、電気の極性は定期的に変化します。直流発電機では、アーマチュアで生成された電気がコムミュテーターを通じて整流されます。交流発電機では、アーマチュアで生成された交流がスリップリングを通じて外部回路に供給されます。

2. 電気が方向を変えない場合、それは直流電気と呼ばれます。バッテリーと太陽光セルは直流電気を生成します。

電力の生成、送電、配電

電気が電力発電所で生成されると、昇圧トランスによって昇圧され、送電のために使用されます。電力の生成は低電圧レベルで実施するのが実用的かつ経済的です。しかし、低電圧での送電は経済的ではありません。そのため、電力送電のために、生成された電力はまず昇圧され、その後送電され、降圧トランスによって降圧され、電力配電のために使用されます。

電力の生成、電力の送電、電力の配電は通常、三相システムで行われます。非常に超高電圧の交流送電は常に経済的ではなく、そのため直流送電が時々使用されます。家庭の供給系統は単相交流かもしれませんが、すべての商業、工業、および大きな家の供給は三相システムです。

Source: Electrical4u

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