電力
力
一般的な記号
℘またはP
SI単位ワット（W）
SI基本単位ではkg ⋅ m 2 ⋅ s −3
他の量からの導出
寸法L2MT−3{\displaystyle {\mathsf {L}}^{2}{\mathsf {M}}{\mathsf {T}}^{-3}}
電力はこのような架空線のほか、地下の高圧ケーブルを通じても送られます。

電力とは、回路内における電気エネルギーの伝達速度です。SI単位系はワットで、これは電力の一般的な単位であり、1ジュール/秒と定義されます。ワットにも他のSI単位系と同様に標準的な接頭辞が付けられます。1000ワット、100万ワット、10億ワットはそれぞれキロワット、メガワット、ギガワットと呼ばれます。

一般的に、電力とは電気エネルギーの生産と供給のことであり、世界の多くの地域で不可欠な公共事業です。電力は通常、発電機によって生産されますが、電池などの電源によって供給されることもあります。電力は通常、電力会社によって電力網を通じて企業や家庭（家庭用主電源として）に供給されます。

電力は送電線によって長距離に送ることができ、動き、光、熱などの用途に高効率で使用することができます。[ 1 ]

意味

電力は、機械力と同様に、仕事を行う速度であり、ワット単位で測定され、文字Pで表されます。ワット数という用語は、口語的には「ワット単位の電力」を意味します。Qクーロンの電荷からなる電流Iがt秒ごとにVの電位（電圧）差を通過することによって生成されるワット単位の電力は、次の式で表されます。[ 2 ] [ 3 ] 2つの端子間の電圧は、電界の力に逆らって単位電荷を一方の端子からもう一方の端子へ移動させるのに必要な仕事として定義されるため、この式は次のように導かれます。 単位時間あたりの仕事＝P＝Wt＝V×私{\displaystyle {\text{単位時間あたりの仕事}}=P={\frac {W}{t}}=V\times I}

P{\displaystyle P}＝{\displaystyle =}Wt{\displaystyle {\frac {W}{t}}}＝{\displaystyle =}W質問{\displaystyle {\frac {W}{Q}}}×{\displaystyle \times }質問t{\displaystyle {\frac {Q}{t}}}
単位時間あたりの仕事単位電荷を一方の端末からもう一方の端末へ移動させるのにかかる仕事単位時間あたりに回路を流れる電荷量
＝{\displaystyle =}V{\displaystyle V}×{\displaystyle \times }私{\displaystyle I}
電圧現在

どこ：

説明

電源を示すアニメーション
電気負荷を示すアニメーション

電気回路内の 電気部品に発生する電位差(電圧) を電荷が移動するときに、電力は他の形態のエネルギーに変換されます。

用語においてしばしば混乱を招く点は、電流（従来の電流）の方向は正電荷が流れる方向と定義されているにもかかわらず、回路内で実際に移動可能な電荷キャリアは負電荷を持つ電子であるという点です。しかし、正電荷が一方向に流れることは、負電荷が反対方向に流れることと等価です。つまり、回路内の電子は従来の電流の方向とは逆方向に流れます。

ソースと負荷

電力の観点から見ると、電気回路の構成要素は2つのカテゴリーに分けられます。[ 2 ] [ 3 ]

一部のデバイスは、流れる電圧と電流に応じて、電源としても負荷としても機能します。例えば、充電式バッテリーは、回路に電力を供給するときは電源として機能しますが、充電器に接続されて充電されているときは負荷として機能します。

交流(AC) 回路では、電圧と電流の方向は定期的に反転しますが、電源と負荷の定義は同じです。電源では、どの瞬間においても電流は低い電位から高い電位へ流れますが、負荷では、瞬間電流は高い電位から低い電位へ流れます。

受動態の記号規則

電気回路を通じた電力の伝送

電力は部品の流入と流出のどちらにも流れるため、どちらの方向が正の電力の流れを表すかという規則が必要である。[ 2 ] [ 3 ]回路から部品に流出する電力は正の符号を持つと任意に定義され、部品から回路に流入する電力は負の符号を持つと定義される。したがって、受動部品は正の電力消費を持ち、電源は負の電力消費を持つ。これは受動符号規則と呼ばれる。

抵抗回路

抵抗性（オームまたは線形）負荷の場合、電力式（ P = I · V）とジュールの第 1 法則（P = I 2 · R ）をオームの法則（V = I·R ）と組み合わせて、消費される電力量を表す別の式を作成できます。 ここで、Rは電気抵抗です。 ℘＝私V＝私2R＝V2R{\displaystyle \wp =IV=I^{2}R={\frac {V^{2}}{R}}}

交流

交流（AC）回路では、電圧の極性と電流の方向が1サイクルごとに2回反転します。リアクタンスのない抵抗回路では、電圧の反転と同時に電流も反転するため、回路は上記のDC回路と同じように動作し、電力は電源から流れ出し、負荷によって消費されます。

しかし、インダクタンスや静電容量などのエネルギー蓄積要素を備えた回路では、抵抗によって消費されるエネルギーに加えて、受動部品に流入するエネルギーの一部が一時的に蓄積され、各サイクルで回路に戻されます。これにより、エネルギーの流れの方向が周期的に反転することがあります。AC波形の完全な1サイクルにわたって平均化された、一方向への正味のエネルギー転送をもたらすエネルギーフロー（電力）の部分は、有効電力（有効電力とも呼ばれます）として知られています。[ 4 ]正味のエネルギー転送をもたらさず、代わりに蓄積されたエネルギーのために各サイクルで電源と負荷の間で振動するエネルギーフロー（電力）の部分の振幅は、無効電力の絶対値として知られてい ます 。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]電圧波のRMS値と電流波のRMS値の積は皮相電力として知られています。デバイスによって消費される 有効電力P （ワット）は、℘＝12Vp私pコス⁡θ＝Vrメートルs私rメートルsコス⁡θ{\displaystyle \wp ={1 \over 2}V_{p}I_{p}\cos \theta =V_{\rm {rms}}I_{\rm {rms}}\cos \theta }

  • V pはピーク電圧（ボルト）です
  • I pはアンペア単位のピーク電流です。
  • V rmsはボルト単位の実効電圧です。
  • I rmsはアンペア単位の実効電流値です。
  • θ = θ v − θ iは、電圧正弦波が電流正弦波より進んでいる位相角、または電流正弦波が電圧正弦波より遅れている位相角である。
電力三角形: AC電力の構成要素

有効電力、無効電力、皮相電力の関係は、これらの量をベクトルで表すことで表現できます。有効電力は水平ベクトル、無効電力は垂直ベクトルで表されます。皮相電力ベクトルは、有効電力ベクトルと無効電力ベクトルを結んで形成される直角三角形の斜辺です。この表現は、しばしば電力三角形と呼ばれます。ピタゴラスの定理を用いると、有効電力、無効電力、皮相電力の関係は次のようになります。 (apparent power)2=(real power)2+(reactive power)2{\displaystyle {\text{(apparent power)}}^{2}={\text{(real power)}}^{2}+{\text{(reactive power)}}^{2}}

電流と電圧が両方とも正弦波であり、それらの間の位相角 θ が既知である場合、有効電力と無効電力は皮相電力から直接計算することもできます。 (real power)=(apparent power)cos⁡θ{\displaystyle {\text{(real power)}}={\text{(apparent power)}}\cos \theta }(reactive power)=(apparent power)sin⁡θ{\displaystyle {\text{(reactive power)}}={\text{(apparent power)}}\sin \theta }

有効電力と皮相電力の比は力率と呼ばれ、常に -1 から 1 までの間の数値になります。電流と電圧が非正弦波の場合、力率は歪みの影響も考慮して一般化されます。

電磁場

電気エネルギーは、電界と磁界が共存し、同じ場所で変動するところに流れます。前節で示したように、最も単純な例は電気回路です。しかし、一般的なケースでは、単純な式P = IVはより複雑な計算に置き換えられます。電界強度ベクトルと磁界強度ベクトルの外積の閉面積分は、体積から放出される瞬間電力（ワット）の総和を与えます。 [ 7 ]℘=∮area(E×H)⋅dA.{\displaystyle \wp =\oint _{\text{area}}(\mathbf {E} \times \mathbf {H} )\cdot d\mathbf {A} .}

結果はポインティング ベクトルの面積分なのでスカラーになります。

生産

世代

2024年の世界の電源別発電量（テラワット時（TWh））。総発電量は30.85ペタワット時。[ 8 ]
  1. 石炭 10,587 (34.4%)
  2. 天然ガス 6,796 (22.1%)
  3. 水力 4,417 (14.4%)
  4. 原子力 2,765 (8.99%)
  5. 風力 2,497 (8.12%)
  6. 太陽光 2,130 (6.92%)
  7. その他 1,569 (5.10%)

多くの発電の基本原理は、1820年代から1830年代初頭にかけて、イギリスの科学者マイケル・ファラデーによって発見されました。彼の基本的な方法は今日でも用いられています。電流は、磁石の両極間を流れる電線または銅の円盤の動きによって発生します。

電力会社にとって、送電は消費者への電力供給における最初のプロセスです。送電、配電、揚水発電による電力貯蔵・回収といったその他のプロセスは、通常、電力業界によって行われます。

発電所では、主に電気機械式発電機によって発電が行われています。これらの発電機は、燃焼、地熱、または原子核分裂によって加熱された熱機関によって駆動されます。また、流水や風の運動エネルギーによって駆動される発電機もあります。太陽光発電パネルなど、発電に利用される技術は他にも数多くあります。

電池は、蓄えられた化学エネルギーを電気エネルギーに変換する1つ以上の電気化学セルで構成されるデバイスです。 [ 9 ] 1800年にアレッサンドロ・ボルタによって最初の電池（または「ボルタ電池」）が発明されて以来、特に1836年に技術的に改良されたダニエル電池が発明されて以来、電池は多くの家庭用および産業用の一般的な電源となっています。 2005年の推計によると、世界の電池産業は毎年480億米ドルの売上を上げており、 [ 10 ]年間6％の成長を遂げています。 電池には、1回使用して廃棄するように設計された一次電池（使い捨て電池）と、再充電して複数回使用するように設計された二次電池（充電式電池）の2種類があります。 電池には、補聴器や腕時計の電源として使用される小型のボタン電池から、電話交換機やコンピュータデータセンターの待機電源を供給する部屋ほどの大きさの電池バンクまで、さまざまなサイズがあります。

電力業界

電力業界は、電力網への接続を通じて、電力を必要とする地域に十分な量の電力を生産・供給しています。電力網は顧客に電気エネルギーを供給します。電力は中央発電所または分散型電源によって発電されます。電力業界は徐々に規制緩和の方向へ進んでおり、新興企業が消費者に従来の公益事業会社に対抗する競争を提供しています。[ 11 ]

用途

中央発電所で生産され、送電網を通じて配電される電力は、工業、商業、消費者向けアプリケーションで幅広く使用されています。国の一人当たりの電力消費量は、その産業の発展と相関しています。[ 12 ]電気モーターは製造機械に動力を与え、地下鉄や鉄道の列車を動かします。電気照明は人工照明の最も重要な形態です。電気エネルギーは、鉱石からアルミニウムを抽出したり、電気アーク炉で鉄鋼を生産したりするプロセスで直接使用されます。信頼性の高い電力は、通信と放送に不可欠です。電力は、暑い気候の空調に使用され、場所によっては、建物の暖房用の経済的に競争力のあるエネルギー源となっています。電力は、個々の家庭の井戸から灌漑やエネルギー貯蔵プロジェクトまで、水を汲み上げるために使用されています。

参照

参考文献

  1. ^スミス、クレア (2001).環境物理学. ロンドン:ラウトレッジ. ISBN 0-415-20191-8。
  2. ^ a b c Manglik, Rohit (2024).メカトロニクスの基礎. 9789369069576. pp. ch. 11. ISBN 9789369069576。
  3. ^ a b cグリッソン、ティルドン H. (2011).回路解析と設計入門. 米国: シュプリンガー. pp.  113– 115. ISBN 978-9048194421。
  4. ^ a b Thomas, Roland E.; Rosa, Albert J.; Toussaint, Gregory J. (2016). 『線形回路の解析と設計』（第8版）. Wiley. pp.  812– 813. ISBN 978-1-119-23538-5。
  5. ^フレイル・モラ、ヘスス (2012). Circuitos eléctricos (スペイン語)。ピアソン。ページ 193–196。ISBN​​ 978-8-48-322795-4。
  6. ^ IEEE 正弦波、非正弦波、平衡、不平衡条件下での電力量の測定に関する標準定義IEEE. 2010. p. 4. doi : 10.1109/IEEESTD.2010.5439063 . ISBN 978-0-7381-6058-0。
  7. ^ Hayt, William H.; Buck, John A. (2012). Engineering Electromagnetics (第8版). McGraw-Hill. p. 385. ISBN 978-0-07-338066-7。
  8. ^ 「年間電力データ」 . ember-energy.org . 2025年4月21日. 2025年4月21日閲覧。
  9. ^ "battery" (def. 4b) , Merriam-Webster Online Dictionary (2009). 2009年5月25日閲覧。
  10. ^ Power Shift: DFJ on the lookout for more power source investing Archived 2005-12-01 at the Wayback Machine . Draper Fisher Jurvetson . 2005年11月20日閲覧。
  11. ^エネルギー共同購入の機会Archived 2017-05-25 at the Wayback Machine EnPowered、2016年4月18日、
  12. ^ Ignacio J. Pérez-Arriaga (編)、電力セクターの規制、Springer Science & Business Media、2014 ISBN 1447150341、8ページ。

参考文献

ウィキメディア コモンズには、電力に関連するメディアがあります。
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=電力&oldid= 1332520085」より取得