電圧

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電圧
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バッテリーは多くの電気回路の電圧源です。
一般的な記号
VV UU
SI単位ボルト
SI基本単位系kg⋅m2⋅s 3⋅A 1 _

他の量からの派生
電圧=エネルギー/電荷
寸法M L 2 T −3 I −1

電圧電位差電気圧力または電気張力は、 2点間の電位差であり、(静電界において)2点間で試験電荷を移動するために必要な単位電荷あたりの仕事として定義されます。国際単位系では、電圧(電位差)導出単位はボルトと呼ばれます。[1] :166  SI単位では、単位電荷あたりの仕事はクーロンあたりのジュールとして表されます。、ここで、1ボルト= 1クーロン(充電)あたり1ジュール(仕事)。ボルト使用電力電流の古いSI定義1990年以降、量子​​ホール効果とジョセフソン効果が使用され、最近(2019)、すべてのSI単位と派生単位の定義に基本的な物理定数が導入されました。[1] :177f、197f 電圧または電位差は、記号で表されます。、簡略化されたV[2]またはU[3]、たとえばオームまたはキルヒホッフの回路法則のコンテキストで。

ポイント間の電位差は、電荷の蓄積(コンデンサなど)や起電力発電機インダクタ変圧器などの電磁誘導)によって発生する可能性があります。[4] [5]巨視的なスケールでは、電位差は、電気化学的プロセス(セルやバッテリーなど)、圧力による圧電効果、および熱電効果によって引き起こされる可能性があります。

電圧計使用して、システム内の2点間の電圧(または電位差)を測定できます。多くの場合、システムのグラウンドなどの一般的な基準電位がポイントの1つとして使用されます。電圧は、エネルギー源、またはエネルギーの損失、散逸、または貯蔵のいずれかを表すことができます。

定義

前述の標準的な定義を含め、電圧を定義するための複数の便利な方法があります。電荷あたりの仕事の他の有用な定義もあります(§ガルバニ電位対電気化学ポテンシャルを参照)。

電圧は、負に帯電した物体がより高い電圧に向かって引っ張られ、正に帯電した物体がより低い電圧に向かって引っ張られるように定義されます。したがって、ワイヤまたは抵抗器の従来の電流は、常に高い電圧から低い電圧に流れます。

歴史的に、電圧は「張力」や「圧力」などの用語を使用して参照されてきました。今日でも、「張力」という用語は、たとえば、熱電子バルブ(真空管)ベースの電子機器 で一般的に使用されている「高張力」(HT)という句の中で使用されています。

静電気学における定義

検電器では、ロッドの周りの電界が、帯電した髄球に力を及ぼします
静的フィールドでは、作業はパスに依存しません

静電気では、電圧は点から増加しますある時点までからの静電ポテンシャルの変化によって与えられます定義上、[6] :78 これは次のとおりです。

この場合、ポイントAからポイントBへの電圧の増加は、加速を引き起こさずに電荷をAからBに移動させるために、電界に対して単位電荷あたりに行われる仕事に等しくなります。[6] :90–91 数学的には、これはその経路に沿っ電界の線積分として表されます。静電気学では、この線積分はとられる経路とは無関係です。[6] :91 

この定義では、 AC回路など、時間とともに変化する磁場が存在する回路では、電気力が保存力ではないため、回路内のノード間に明確な電圧がありません[注1]ただし、電界と磁界が急速に変化しない低周波数では、これは無視できます(静電近似を参照)。

電気力学への一般化

電位は電気力学に一般化できるので、時間変化する場が存在する場合でも、点間の電位の差は明確に定義されます。しかし、静電気とは異なり、電界は電位だけで表現することはできなくなりました。[6] :417 さらに、電位差の意味と値はゲージの選択に依存します。[6] :419–422 

この一般的なケースでは、一部の著者[7]は、電位差ではなく、電界の線積分を指すために「電圧」という言葉を使用しています。この場合、電圧はある経路に沿って上昇しますからによって与えられます:

ただし、この場合、2点間の「電圧」は経路によって異なります。

回路理論における扱い

回路解析および電気工学では集中定数モデルを使用して回路を表現および解析します。これらの要素は、物理コンポーネントのモデル化に使用される理想化された自己完結型の回路要素です。[8]

集中定数モデルを使用する場合、回路によって生成される磁場の変化の影響が各要素に適切に含まれていると想定されます。[8]これらの仮定の下では、各コンポーネントの外部の領域の電界は保守的であり、回路内のノード間の電圧は明確に定義されています。ここで[8]

統合のパスがコンポーネントの内部を通過しない限り。上記は、静電気で使用されるのと同じ式です。積分の経路がテストリードに沿っているこの積分は、電圧計が実際に測定するものです。[9] [注2]

回路全体に含まれていない磁場が無視できない場合は、相互インダクタンス要素を追加することでそれらの影響をモデル化できます。ただし、物理インダクタの場合、理想的な一括表現は正確であることがよくあります。これは、インダクタの外部磁界が一般に無視できるためです。特に、インダクタの磁路が閉じている場合はなおさらです。外部フィールドが無視できる場合、

はパスに依存せず、インダクタの端子間に明確に定義された電圧があります。[10]これが、インダクタの両端の電圧計を使用した測定が、テストリードの配置とはかなり無関係であることが多い理由です。

ボルト

ボルト(記号:V)は、電位、電位差、起電力の導出単位ですボルトは、おそらく最初の化学電池であるボルタ電池を発明したイタリアの物理学者アレッサンドロ・ボルタ (1745–1827)にちなんで名付けられました

水流アナロジー

電気回路の簡単な例えは、機械式ポンプによって駆動される配管の閉回路を流れる水です。これは「水回路」と呼ぶことができます。2点間の電位差は、2点間の圧力差に対応します。ポンプが2点間に圧力差を生じさせると、ある点から別の点に流れる水は、タービンの駆動などの仕事をすることができます同様に、仕事はバッテリーによって提供される電位差によって駆動される電流によって行うことができますたとえば、十分に充電された自動車のバッテリーによって提供される電圧は、自動車のスターターモーターの巻線に大電流を「押し込む」ことができます。ポンプが作動していない場合、圧力差は発生せず、タービンは回転しません。同様に、自動車のバッテリーが非常に弱いか「デッド」(または「フラット」)の場合、スターターモーターは回転しません。

水流のアナロジーは、多くの電気的概念を理解するための便利な方法です。このようなシステムでは、水を移動するために行われる仕事は、「圧力降下」(pdと比較)に移動する水のを掛けたものに等しくなります。同様に、電気回路では、電子または他の電荷キャリアを移動させるために行われる仕事は、「電気圧力差」に移動した電荷の量を掛けたものに等しくなります。「流れ」に関しては、2点間の「圧力差」(電位差または水圧差)が大きいほど、2点間の流れ(電流または水流)が大きくなります。(「電力」を参照してください。)

アプリケーション

高圧送電線での作業

電圧測定を指定するには、電圧が測定されるポイントを明示的または暗黙的に指定する必要があります。電圧計を使用して電位差を測定する場合、電圧計の1本の電気リード線を最初のポイントに接続する必要があります。1つは2番目のポイントに接続する必要があります。

「電圧」という用語の一般的な使用法は、電気デバイス(抵抗器など)の両端で降下する電圧を説明する場合です。デバイスの両端の電圧降下は、共通の基準点(またはグランド)に対するデバイスの各端子での測定値の差として理解できます電圧降下は、2つの読み取り値の差です。抵抗がなく、変化する磁場内にない理想的な導体によって接続されている電気回路の2つのポイントの電圧はゼロです。同じ電位の2点は導体で接続でき、それらの間に電流は流れません。

電圧の追加

ACの間の電圧は、 ABの間の電圧とBCの間の電圧の合計です回路内のさまざまな電圧は、キルヒホッフの回路法則を使用して計算できます

交流(AC)について話すとき、瞬時電圧と平均電圧の間に違いがあります。直流(DC)とACには瞬時電圧を追加できますが、平均電圧は、すべて同じ周波数と位相の信号に適用される場合にのみ意味のある追加が可能です。

測定器

電圧を測定するために設定されたマルチメータ

電圧を測定するための機器には、電圧計ポテンショメータ、およびオシロスコープが含まれます。ムービングコイル機器などのアナログ電圧計は、オームの法則によれば、抵抗器の両端の電圧に比例する固定抵抗器を流れる電流を測定することによって機能します。ポテンショメータは、ブリッジ回路の既知の電圧に対して未知の電圧のバランスをとることによって機能します陰極線オシロスコープは、電圧を増幅し、それを使用して電子ビームを直線経路から偏向させることによって機能するため、ビームの偏向は電圧に比例します。

典型的な電圧

懐中電灯バッテリーの一般的な電圧は1.5ボルト(DC)です。自動車用バッテリーの一般的な電圧は12ボルト(DC)です。

電力会社から消費者に供給される一般的な電圧は、110〜120ボルト(AC)および220〜240ボルト(AC)です。発電所からの電力を分配するために使用される送電線の電圧は、消費者の電圧の数百倍になる可能性があり、通常は110〜1200 kV(AC)です。

鉄道機関車に電力を供給するために架空線で使用される電圧は、12 kV〜50 kV(AC)または0.75 kV〜3 kV(DC)です。

ガルバニ電位対電気化学ポテンシャル

導電性材料の内部では、電子のエネルギーは、平均電位だけでなく、それが存在する特定の熱および原子環境の影響も受けます。電圧計が2つの異なる種類の金属の間に接続されている場合、静電を測定しません。電位差がありますが、代わりに熱力学の影響を受ける何か他のものです。[11]電圧計で測定される量は、電子の電気化学ポテンシャルの差(フェルミ準位)を電子の電荷で割った ものの負の値であり、一般に電圧差と呼ばれますが、純粋な未調整の静電ポテンシャル(電圧計)は時々呼ばれますガルバニ電位差「電圧」と「電位」という用語は、実際には、異なる文脈でこれらの いずれかを指すことができるという点で曖昧です。

歴史

起電力という用語は、1798年にジョヴァンニアルディーニに宛てた手紙の中でVoltaによって最初に使用され、1801年にAnnales de chimie etdephysiqueで発表された論文に最初に登場しました[12] :408  Voltaは、これが静電力 ではない力、具体的には電気化学的力を意味します。[12] :405 この用語は、1820年代の電磁誘導に関連してマイケルファラデー によって取り上げられました。しかし、現時点では、電圧の明確な定義とその測定方法は開発されていませんでした。[13] :554 Voltaは起電力(emf)と張力(電位差)を区別しました。開回路のときに電気化学セルの端子で観測された電位差は、電流が流れないようにセルのemfのバランスを正確にとる必要があります。[12] :405 

も参照してください

参照

  1. ^ a b 国際度量衡局(2019-05-20)、SIパンフレット:国際単位系(SI) (PDF)(第9版)、ISBN 978-92-822-2272-0{{citation}}: CS1 maint: url-status (link)
  2. ^ IEV:電位
  3. ^ IEV:電圧
  4. ^ Demetrius T. Paris and F. Kenneth Hurd、 Basic Electromagnetic Theory、McGraw-Hill、New York 1969、 ISBN 0-07-048470-8 
  5. ^ P.ハモンド、エンジニアのための電磁気学、p。135、Pergamon Press 1969OCLC854336 
  6. ^ a b c d e Griffiths、David J.(1999)。電気力学入門(第3版)。プレンティスホール。ISBN 013805326X
  7. ^ 月、パリー; スペンサー、ドミナエバール(2013)。電気力学の基礎ドーバー出版。p。126. ISBN 978-0-486-49703-7
  8. ^ a b c A. Agarwal&J。Lang(2007)。「6.002回路および電子機器のコース資料」(PDF)MITOpenCourseWare 2018年12月4日取得
  9. ^ Bossavit、Alain(2008年1月)。「電圧計は何を測定しますか?」COMPEL-電気電子工学における計算と数学のための国際ジャーナル27:9–16。doi10.1108 / 03321640810836582 –ResearchGate経由。
  10. ^ ファインマン、リチャード; レイトン、ロバートB .; サンズ、マシュー。「ファインマン物理学の講義第2巻第22章:AC回路」カリフォルニア工科大学2021-10-09を取得{{cite web}}: CS1 maint: url-status (link)
  11. ^ Bagotskii、Vladimir Sergeevich(2006)。電気化学の基礎p。22. ISBN 978-0-471-70058-6
  12. ^ a b c Robert N. Varney、Leon H. Fisher、「起電力:Voltaの忘れられた概念」American Journal of Physics、vol。48、iss。5、pp。405–408、1980年5月。
  13. ^ CJ Brockman、「ボルタ電気の起源:EMFの概念が開発される前の接触対化学理論」 Journal of Chemical Education、vol。5、いいえ。5、pp。549–555、1928年5月

脚注

  1. ^ これは、マクスウェル-ファラデーの方程式から得られます。 いくつかの単純に接続された領域に 変化する磁場がある場合、その領域の電場のカールはゼロではなく、その結果、電場は保守的ではありません。詳細については、保存力§数学的な説明を参照してください。
  2. ^ このステートメントは、電圧計の性質についていくつかの仮定をしています(これらは引用された論文で説明されています)。これらの仮定の1つは、電圧計によって引き出される電流が無視できるということです。

外部リンク