電気とは？基礎知識と仕組み｜静電気・電流・発電の解説

どのように動作するか

電荷が押し合ったり引っ張ったりするのには、プラスの電荷とマイナスの電荷の2種類があります。電荷が触れていなければ、お互いに押し合ったり引っ張ったりします。これは、それぞれの電荷が自分自身の周りに電場を作っているからです。電場とは、電荷を取り囲む領域のことです。電荷の近くの各点では、電場はある方向を向いています。その点に正の電荷を置くと、その方向に押し出されます。負の電荷がその点に置かれた場合は、真逆の方向に押し出されます。

それは磁石のような働きをしていて、実は電気は磁場を作り、似たような電荷がお互いに反発し、反対の電荷が引き合うのです。つまり、2つのマイナスを近くに置いて放っておくと、離れていくということです。正の電荷が2つあっても同じことが言えます。しかし、プラスの電荷とマイナスの電荷を近くに置くと、お互いに引き合うことになります。これを覚えておくための簡単な方法は、「反対は引き寄せ、好きは反発する」というフレーズです。

宇宙のすべての物質は、正電荷、負電荷、中性電荷を持つ小さな粒子でできています。正の電荷を持つものを陽子、負の電荷を持つものを電子と呼びます。陽子は電子よりもずっと重いのですが、陽子が正、電子が負であることを除けば、どちらも同じ量の電荷を持っています。反対のものが引き合う」ので、陽子と電子はくっついてしまいます。数個の陽子と電子は、原子や分子と呼ばれる大きな粒子を形成することができます。原子や分子はまだ非常に小さい。小さすぎて目に見えない。どんな大きな物体でも、あなたの指のように、誰もが数えられないほど多くの原子や分子を持っています。私たちは、その数を推定することしかできません。

負の電子と正の陽子がくっついて大きな物体を作るので、私たちが目で見て感じる大きな物体はすべて電気的に中性です。電気的とは「電気を説明する」という意味の言葉で、中性とは「バランスのとれた」という意味の言葉です。そのため、すべてのものが電気的に帯電している場合のように、遠くから物が押したり引いたりすることはありません。すべての大きな物体が電気的に中性であるのは、世界には同じ量のプラスとマイナスの電荷が存在しているからです。世界はまさにバランスが取れている、つまり中性であると言えるでしょう。なぜそうなのか、科学者たちはまだわかっていません。

電流

電子は物質の周りを動き回ることができます。プロトンは、少なくとも電子に比べて非常に重いので、固体の周りを動き回ることはありません。電子が動き回ることができる物質は、導体と呼ばれます。それぞれの電子をしっかりと固定する材料は絶縁体と呼ばれています。導体の例としては、銅、アルミニウム、銀、金などがあります。絶縁体の例としては、ゴム、プラスチック、木材などがあります。銅は非常に優れた導体で、世の中にたくさんあるので、導体としてよく使われています。銅は電線に使われています。しかし、他の材料が使われることもあります。

導体の中では、電子は跳ね回っていますが、長い間一方向に進み続けることはありません。導体の中に電場を作ると、電子はすべて電場の向いている方向とは逆の方向に動き出します（電子は負に帯電しているので）。電池は、導体の内部に電界を作ることができます。一本の針金の両端を電池の両端（電極といいます）に接続すると、できたループを電気回路といいます。電池が電線の内側に電場を作っている限り、電子は回路の周りを流れていきます。この回路の周りを電子が流れることを電流といいます。

電流を流すための導線は、ゴムなどの絶縁体に包まれていることが多いです。これは、電流を流す電線は非常に危険だからです。電流を流している裸線に人や動物が触れた場合、電流の強さや電気エネルギーの強さによっては、怪我をしたり、死んだりする可能性があります。電気を流している可能性のあるコンセントやむき出しの電線の周りには注意が必要です。

電気機器を回路に接続することで、機器に電流が流れるようにすることができます。この電流が電気エネルギーを伝達して、装置に何かをさせることができるようになります。電気機器は非常にシンプルなものもあります。例えば、電球では、電流がフィラメントと呼ばれる特殊な線を通ってエネルギーを伝え、それが光ります。電気機器は、非常に複雑なものもあります。電気エネルギーは、ドリルや鉛筆削りのような工具の内部にある電気モーターを駆動するために使用することができます。電気エネルギーは、電話、コンピュータ、テレビなどの現代の電子機器にも使われています。

電気に関する用語

ここでは、電気の仕組みを勉強する際に出てくる用語をいくつか紹介します。電気の仕組みを勉強するときに出てくる用語をいくつか紹介します。電気工学という工学の分野があり、電気を使って新しいものを考え出します。これらの用語は、どれも知っておくことが大切です。

• 電流とは、流れる電荷の量のことです。1秒間に1クーロンの電気がどこかを通過すると、電流は1アンペアになります。1点の電流を測るには電流計を使います。

• 電圧は「電位差」とも呼ばれ、電流の背後にある「押し」のことです。電荷1個あたりの仕事量のことで、電気源ができる仕事量のことです。1クーロンの電気が1ジュールのエネルギーを持つとき、1ボルトの電位を持つことになります。2点間の電圧を測るには、電圧計を使います。

• 抵抗とは、電流の流れを「遅く」する物質の能力、つまり、電荷が物質を通過する速度を低下させる能力のことです。1 ボルトの電圧が 1 アンペアの電流をワイヤーに流すと、ワイヤーの抵抗は 1 オームになります - これはオームの法則と呼ばれています。電流の流れが反対になると、エネルギーは他の形態（光、熱、音、運動など）に変換されることを意味する「使い切られる」ことになります。

• 電気エネルギーとは、電気デバイスを使って仕事をする能力のことです。電気エネルギーは「保存された」特性であり、物質のように振る舞い、場所から場所へと移動することができることを意味します（例えば、伝送媒体に沿って、または電池の中で）。電気エネルギーはジュールまたはキロワット時（kWh）で測定されます。

• 電力とは、電気エネルギーが使用され、貯蔵され、または転送される速度のことです。電力線に沿った電気エネルギーの流れは、ワットで測定されます。電気エネルギーが別の形のエネルギーに変換されている場合は、ワットで測定されます。電気エネルギーの一部が変換され、その一部が貯蔵されている場合は、ボルト・アンペアで測定され、貯蔵されている場合（電場や磁場のように）は、反応性のボルト・アンペアで測定されます。

電気エネルギーの発生

電気エネルギーは、ほとんどが発電所と呼ばれる場所で発生します。ほとんどの発電所では、熱を利用して水を沸騰させて蒸気にし、それを蒸気機関に回します。蒸気機関のタービンは「発電機」と呼ばれる機械を回します。発電機の中では、コイル状に巻かれたワイヤーが磁場の中で回転するように作られています。これにより、電線に電気が流れ、電気エネルギーを運びます。このプロセスは電磁誘導と呼ばれています。この方法を発見したのがマイケル・ファラデーです。

電気エネルギーを生成するために使用できる熱源は数多くある。熱源には、熱エネルギーの供給が尽きることのない再生可能エネルギー資源と、最終的には使い切ってしまう非再生可能エネルギー資源の2種類があります。

風力や水力などの自然の流れを直接発電機の回転に利用することで、熱を必要としない場合もあります。