電圧：それは何ですか？

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電圧とは何ですか？

電圧（電位差、起電力emf、電気圧または電気張力とも呼ばれる）は、二点間の単位電荷あたりの電位差として定義されます。電界において。電圧は数式で「V」または「E」という記号を使用して表されます。

電圧についてより直感的な説明が必要な場合は、この記事のこのセクションを参照してください。

それ以外の場合、以下に電圧のより正式な定義を続けます。

静電界において、二点間で単位電荷を移動するのに必要な仕事量が電圧と呼ばれます。数式で表すと以下のようになります。

$\begin{align*} Voltage = \frac{Work\,\,Done\ (W)}{Charge\ (Q)} \end{align*}$

ここで、仕事量はジュール、電荷はクーロンで表されます。

$\begin{align*} Thus, Voltage = \frac{joule}{coulomb} \end{align*}$

電圧は、回路内の2点間の潜在エネルギーの量として定義できます。

1つの点がより高いポテンシャルを持ち、他の点が低いポテンシャルを持つ。高いポテンシャルと低いポテンシャルの間の電荷の差を電圧またはポテンシャル差と呼ぶ。

電圧またはポテンシャル差は、電子が回路内を流れる力を与える。

電圧が高いほど、力が大きくなり、したがって回路内を流れる電子も多くなる。電圧またはポテンシャル差がない場合、電子は自由空間でランダムに動き回る。

電圧は時々「電気テンション」とも呼ばれる。例えば、1 kV、11 kV、33 kVのケーブルの電圧処理能力はそれぞれ低テンション、高テンション、スーパーテンションケーブルと呼ばれる。

電界のポテンシャルとしてのポテンシャル差の定義

前述のように、電圧は電界内の2点間の単位電荷あたりの電位差として定義されます。これを数式を使って説明しましょう。

2つの点AとBを考えます。

点Aに対する点Bのポテンシャルは、電界Eの存在下で単位電荷を点AからBへ移動する際に行われた仕事として定義されます。

数学的には、これは次のように表現できます。

$\begin{align*} V_A_B = \frac{W}{Q} = -\int_B^A E^- * dl^-\end{align*}$

これはまた、点Bを基準点とする点AとBの間のポテンシャル差でもあります。これは次のようにも表現できます。

$\begin{align*} V_A_B = V_A - V_B \end{align*}$

電圧は概念的に理解するのが難しい場合があります。

そのため、電圧をより理解しやすくするために、実世界の何かにたとえて説明します。

アナロジーによる電圧の理解

「水力のアナロジー」は、電圧を説明する際によく使われるアナロジーです。

水力のアナロジーでは：

電圧または電気ポテンシャルは、水圧に相当します
電流は、水の流量に相当します
電荷は、水の量に相当します
導体は、パイプに相当します

アナロジー1

以下の図に示すように、水槽を考えてみましょう。図（a）は同じ水位で満たされた2つの水槽を示しています。したがって、圧力差がないため、水は一方の水槽から他方の水槽へと流れません。

図(b)は、異なる水位の2つのタンクを示しています。そのため、これらの2つのタンク間に圧力差があります。したがって、両方のタンクの水位が等しくなるまで、一方のタンクからもう一方のタンクへと水が流れます。

同様に、異なる電圧レベルを持つ2つのバッテリーを導線で接続すると、高いポテンシャルのバッテリーから低いポテンシャルのバッテリーへと電荷が流れます。そのため、低いポテンシャルのバッテリーが充電され、両方のバッテリーのポテンシャルが同じになるまで充電されます。

類推2

地面から一定の高さにある水槽を考えます。

ホースの端での水圧は、電気回路における電圧または電位差に相当します。水槽内の水は、電荷に相当します。ここで、水槽内の水量を増やすと、ホースの端でより大きな圧力が発生します。

逆に、水槽から一定量の水を排出すると、ホースの端で発生する圧力は減少します。この水槽は貯蔵バッテリーのようなものと考えることができます。バッテリーの電圧が低下すると、ランプが暗くなります。

類推3

電気回路において電圧または電位差がどのように仕事をするかを理解しましょう。以下の図に示す電気回路をご覧ください。

水圧回路のように、水は機械的なポンプによってパイプを通って流れます。パイプは電気回路における導線に相当します。

ここで、機械的なポンプが2点間に圧力差を生じさせると、加圧された水はタービンを駆動するなどの仕事をすることができます。

同様に、電気回路では、バッテリーの電位差により導体を通って電流が流れ、電流が流れることでランプを点灯させるなどの仕事ができます。

電圧はどのような単位で測定されるか（電圧単位）

電圧のSI単位

電圧のSI単位はボルトです。これはVで表されます。ボルトは電圧の導出SI単位です。イタリアの物理学者SI単位、そしてアレッサンドロ・ボルタ（1745-1827）が発明したボルタ電池は、初めての電気バッテリーであり、そのためこの単位は彼らの名前にちなんで名付けられました。

SI基本単位でのボルト

ボルトは、電気回路内の2点間の電位差を表し、通過するクーロンの電荷ごとに1ジュールのエネルギーを放出します。数式で表現すると以下のようになります。

$\begin{align*} 1\,\,Volt = \frac{potential \ energy} {chrage} = \frac{1\,\, joule}{1\,\,coulomb} = \frac{kg\,\, m^2}{A\,\,s^3} \end{align*}$

したがって、ボルトはSI基本単位で以下のように表すことができます。 $\frac{kg\,\,m^2}{A\,\,s^3}$ または $kg\,\,m^2\,\,s^-^3\,\,A^-^1$ 。

また、ワット毎アンペアまたはアンペア×オームでも測定できます。

電圧の公式

電圧の基本式は以下の画像に示されています。

電圧公式1（オームの法則）

オームの法則によれば、電圧は以下のように表されます。

$\begin{align*} Voltage = Current * Resistance \end{align*}$

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

例1

以下の回路で、4 Aの電流が15 Ωの抵抗を通過しています。この回路の電圧降下を決定します。

解答：

与えられたデータ： $I = 4\,\,A$ , $R=15\,\,\Omega$

オームの法則によれば、

$\begin{align*} & V = I * R \\ & = 4 * 15 \\ & V = 60\,\,Volts \end{align*}$

したがって、この式を使用して、回路の電圧降下は60ボルトであることがわかります。

電圧公式2（電力と電流）

伝送される電力は、供給電圧と電流の積です。

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

次に $I=\frac{V}{R}$ を上記の式に代入すると

(1) $\begin{equation*} P = V * I = \frac{V^2}{R} \end{equation*}$

したがって、電圧は電力と電流の比で表されます。数式で表すと

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

例2

以下の回路図のように、2Aの電流が48Wのランプを通過しています。供給電圧を求めなさい。

解決策:

与えられたデータ: $I = 2\,\,A$ , $P = 48 \,\,W$

上記の電圧、電力、および電流の公式に基づいて

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

したがって、この式を使用して供給電圧は24ボルトとなります。

電圧公式3（電力と抵抗）

式(1)によれば、電圧は電力と抵抗の積の平方根です。数式で表すと

$\begin{align*} V = \sqrt{P*R} \end{align*}$

例3

以下の回路で、電流の抵抗が2Ωの5Wのランプを点灯させるために必要な電圧を決定します。

解答:

与えられたデータ: $P = 5 \,\, W$ , $R = 2 \,\, \Omega$

上記の式に基づいて

$\begin{align*} & V = \sqrt{P*R} \\ & = \sqrt{5*2} \\ & = \sqrt{10} \\ & V = 3.16 \,\,Volts \end{align*}$

したがって、この式を使用して必要な電圧を求めると、 $5 W, 2\Omega$ のランプを点灯させるためには3.16ボルトが必要です。

電圧回路シンボル (交流と直流)

交流電圧シンボル

交流 (交流電流) 電圧のシンボルは以下の通りです：

企業微信スクリーンショット_17098668569432.png — 交流電圧シンボル

直流電圧シンボル

直流 (直流電流) 電圧のシンボルは以下の通りです：

電圧の次元

電圧 (V) は、単位電荷あたりの電気エネルギーを表します。

電圧の次元は、質量 (M)、長さ (L)、時間 (T)、アンペア (A) を用いて $M L^2 T^-^3 A^-^1$ で表されます。

$\begin{align*} V = \frac{W}{Q} = \frac{M L^2 T^-^2}{A T} = M L^2 T^-^3 A^-^1 \end{align*}$

なお、一部では電流を表すためにAの代わりにIを使用することもあります。その場合、電圧の次元は $M L^2 T^-^3 I^-^1$ と表すことができます。

電圧の測定方法

電気回路や電子回路において、電圧の測定は重要なパラメータです。特定の点と接地またはゼロボルト線との間の電圧を測定することができます。

3相回路において、3相のうちのいずれか一相と中性点との間の電圧を測定すると、これはライン対グランド電圧として知られています。

同様に、3相のうちの任意の2相間の電圧を測定すると、これはライン対ライン電圧として知られています。

電圧を測定するためには様々な計器があります。それぞれの方法について説明します。

電圧計による方法

システム内の2点間の電圧を測定するには、電圧計を使用します。電圧を測定するには、電圧計を測定したいコンポーネントと並列に接続する必要があります。

電圧計の一端を第一の点に、もう一端を第二の点に接続します。注意すべき点として、電圧計は直列に接続してはいけません。

電圧計は、回路内の任意のコンポーネントまたは2つ以上のコンポーネント間の電圧降下の合計を測定するためにも使用できます。

アナログ電圧計は、固定抵抗器を通る電流を測定することによって動作します。オームの法則によれば、抵抗器を通る電流は、固定抵抗器にかかる電圧または電位差に比例します。したがって、未知の電圧を決定することができます。

以下に示す図は、9Vバッテリーの電圧を測定するための電圧計の接続例です。

マルチメータ法

現在、最も一般的な電圧測定方法の一つはマルチメータを使用することです。マルチメータはアナログ式またはデジタル式のいずれかですが、デジタルマルチメータの方が精度が高く、コストが低いことから広く使用されています。

任意の機器の電圧または電位差を測定するには、マルチメータのプローブを測定したい2点間に接続するだけです。マルチメータを使用してバッテリーの電圧を測定する方法は以下の画像に示されています。

Multimeter for Voltage Measurement — バッテリー電圧測定用マルチメータ接続

ポテンショメータ法

ポテンショメータは、ゼロバランス技術に基づいて動作します。これは、未知の電圧を既知の基準電圧と比較することで電圧を測定します。

その他、オシロスコープや静電気電圧計などの装置も電圧を測定するために使用されます。

電圧と電流の違い（電圧対電流）

電圧と電流の主な違いは、電圧が電気フィールド内の2点間の電荷の電位差であるのに対し、電流は電気フィールド内の1点から他の点への電荷の流れであることです。

簡単に言えば、電圧は電流を流れる原因であり、電流は電圧の結果です。

電圧が高いほど、2点間で流れる電流も多くなります。回路内の2点が同じ電位にある場合、それらの点間に電流は流れません。電圧と電流の大きさは互いに依存します（オームの法則による）。

電圧と電流のその他の違いは以下の表で説明されています。

Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)} — 電圧と電流の違い

Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)} — 電圧と電流の違い

電圧と電位差の違い（電圧 vs 電位差）

電圧と電位差には大きな違いはありませんが、以下のように説明することができます。

電圧は、単位電荷を2点間で移動するために必要なエネルギー量であり、一方、電位差は、一点の高い電位と他の点の低い電位との差です。

点電荷による影響:

電圧は、他の参照点を無限遠に置いた場合のある点での電位であり、一方、電位差は、2点間の有限距離にある電荷の電位の差です。数式で表すと以下のようになります。

$\begin{align*} Potential = V = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 R} \end{align}$

$\begin{align*} Potential \,\, Difference= V_1_2 = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0}(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}) \end{align}$

電圧についてのビデオ解説をご希望の方は、以下のビデオをご覧ください。

一般的な電圧とは何か

一般的な電圧とは、電気装置や設備の典型的な電圧レベルまたは定格電圧を指します。

以下に、さまざまな電気機器や設備の一般的な電圧の一覧を示します。

鉛蓄電池電気自動車用：12 V DC。12 V バッテリーは6つのセルで構成され、各セルの共通電圧は2.1 Vです。セルは直列に接続されて電圧を増加させます。
太陽電池: 開放回路条件下では通常、約0.5 V DCの電圧を発生します。しかし、多くの場合、複数の太陽電池が直列に接続されて太陽光パネルを形成し、より高い総電圧を出力することができます。
USB: 5 V DC。
高電圧送電線: 110 kV〜1200 kV AC。
高速鉄道（牽引）電力線: 12 kVおよび50 kV ACまたは0.75 kVおよび3 kV DC。
TTL/CMOS電源: 5 V。
単一セルの充電式ニッケルカドミウムバッテリー: 1.2 V。
懐中電灯用バッテリー: 1.5 V DC。

配電会社が住宅消費者に供給する一般的な電圧は以下の通りです：

日本: 100 V、1相AC
アメリカ: 120 V、1相AC
インド、オーストラリア: 230 V、1相AC

配電会社が工業消費者に供給する一般的な電圧は以下の通りです：

日本: 200 V、3相AC
アメリカ: 480 V、3相AC
インド: 415 V、3相AC

電圧の応用

電圧のいくつかの応用例は以下の通りです：

最も一般的な電圧の応用例の一つは、抵抗などの電気機器や設備の電圧降下を決定することです。
電圧の増加には電圧の追加が必要です。そのため、セルは直列に接続して電圧を増加させます。

電圧は、すべての電気機器や電子機器の基本的なエネルギー源です。さまざまな用途で、小さな電圧（5 V）から高電圧（415 V）まで使用されています。

低電圧は通常、多くの電子機器や制御アプリケーションに使用されます。

高電圧は以下の用途に使用されます

静電印刷、静電塗装、材料の静電コーティング
宇宙学の研究
静電集塵装置 (大気汚染防止)
ジェット推進研究所
X線管
高出力増幅真空管
質量分析法
誘電体試験
食品・飲料試験
電解噴霊とスピン応用, 電写真
プラズマベースの応用
レベルセンシング
誘導加熱
フラッシュランプ
ソナー
電気設備の試験のため

出典: Electrical4u

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The voltage is the difference in potential between two points in an electric field.	The current is the flow of charges between two points in an electric field.
The symbol of the current is I.	The SI unit of current is ampere or amp.
The symbol of voltage is V or ΔV or E.	The symbol of current is I.
Voltage can be measured by using a voltmeter.	Current can be measured by using an ammeter.
$Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)}$	$Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)}$
$1\ Volt=\frac{1\ joule}{1\ coulomb}$	$1\ Ampere=\frac{1\ coulomb}{(1\ second)}$
In a parallel circuit, the magnitude of voltage remains the same.	In a series circuit, the magnitude of the current remains the same.
The voltage creates a magnetic field around it.	The current creates an electrostatic field around it.
Dimensions of voltage is $ML^2 T^-^3 A^-^1$	Dimensions of current is $MLTA^1$
In the hydraulic analogy, electric potential or voltage is equivalent to hydraulic water pressure.	In the hydraulic analogy, electric current is equivalent to hydraulic water flow rate.
The voltage is the cause of the current flowing in the circuit.	An electric current is the effect of a voltage.