電気
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夜の街に雷が落ちる
電気は目に見えませんが、視覚的に観察できる現象を引き起こす可能性があります。ここでは、稲妻の閃光や建物内のさまざまな形の電光でそれが示されています。

電気とは、電荷を持つ物質の存在と運動に関連する一連の物理現象です。電気は磁気と関連しており、どちらもマクスウェル方程式で記述される電磁気学の現象の一部です。雷、静電気、電熱、放電など、電気に関連する一般的な現象は数多くあります。

正または負の電荷が存在すると、電場が発生します。電荷キャリアの運動は電流となり、磁場を生成します。ほとんどの応用において、クーロンの法則は電荷粒子に作用する力を決定します。電位とは、電場内において電荷をある位置から別の位置に移動させるために行われる仕事であり、通常はボルトで測定されます。

電気は、多くの現代技術において中心的な役割を果たしており、電流が機器に電力を供給するために使用される電力分野や、真空管、トランジスタ、ダイオード、集積回路などの能動部品を含む電気回路と関連する受動的な相互接続技術を扱うエレクトロニクス分野で使用されています。

電気現象の研究は古代にまで遡り、理論的理解は17世紀から18世紀にかけてゆっくりと進展しました。19世紀における電磁気学理論の発展は大きな進歩をもたらし、世紀末までに電気技術者による産業および住宅への電気の応用につながりました。当時の電気技術の急速な発展は第二次産業革命の原動力となり、電気の汎用性は産業と社会の両面で変革をもたらしました。電気は輸送、暖房／冷房、照明、通信、計算など、幅広い用途に不可欠であり、近代産業社会の基盤となっています。[ 1 ]

歴史

髪を乱した髭を生やした男性の胸像
電気に関する最古の研究者として知られるタレスの架空の肖像

電気に関する知識が存在するずっと以前から、人々は電気魚による電気ショックの存在を知っていました。紀元前2750年の古代エジプトの文献には、電気魚は他のすべての魚の「守護者」として記されています。電気魚は、その数千年後、古代ギリシャ、ローマ、アラブの博物学者や医師によって再び報告されました。[ 2 ]大プリニウスやスクリボニウス・ラルゴスといった古代の著述家たちは、電気ナマズや電気エイによる電気ショックが麻痺効果をもたらすことを証言し、そのようなショックが導電性の物体を伝わることを知っていました。[ 3 ]痛風や頭痛などの病気に苦しむ患者は、強力な電気ショックで治癒することを期待して、電気魚に触れるように指示されました。[ 4 ]

地中海沿岸の古代文化では、琥珀の棒などの物体を猫の毛皮でこすると、羽毛などの軽い物体を引き寄せることができるとされていました。ミレトスのタレスは紀元前600年頃に静電気に関する一連の観察を行い、摩擦によって琥珀が磁性を持つようになったと考えました。これは、こすらなくてもよい磁鉄鉱などの鉱物とは対照的です。 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]タレスは、この引き寄せる力は磁気効果によるものだと考えましたが、これは間違いでした。しかし、後の科学によって、磁気と電気の間には関連があることが証明されました。議論を呼んでいる説によると、 1936年にガルバニ電池に似たバグダッド電池が発見されたことに基づき、パルティア人は電気メッキの知識を持っていた可能性があると言われていますが、この遺物が実際に電気的なものであったかどうかは定かではありません。[ 9 ]

スリーピースのスーツを着た、禿げ頭でやや太めの男性の半身像。
ベンジャミン・フランクリンは18 世紀に電気について広範囲にわたる研究を行いました。そのことは、フランクリンと長期にわたる文通を続けていたジョセフ・プリーストリー(1767)の著書『電気の歴史と現状』に記録されています。

電気は1600年まで数千年の間、知的好奇心の対象に過ぎませんでしたが、この年にイギリスの科学者ウィリアム・ギルバートが『磁石論』を著し、その中で電気と磁気を綿密に研究し、磁石効果と琥珀をこすったときに発生する静電気を区別しました。[ 5 ]彼は新ラテン語のelectricus （「琥珀の」または「琥珀のような」という意味で、ギリシャ語の「琥珀」の語源はἤλεκτρον, elektron）を造り、こすった後に小さな物体を引き寄せる性質を指しました。[ 10 ]この関連から英語の「electric」と「electricity」という単語が生まれ、1646年のトーマス・ブラウンの『Pseudodoxia Epidemica』で初めて印刷物に登場しました。 [ 11 ]アイザック・ニュートンは電気について初期の研究を行い、[ 12 ]彼の著書『 Opticks』に書き留めたアイデアは、おそらく電気力場理論の始まりでした。 [ 13 ]

17世紀から18世紀初頭にかけて、オットー・フォン・ゲーリケ、ロバート・ボイル、スティーブン・グレイ、CFデュフェイらがさらなる研究を行った。[ 14 ] 18世紀後半には、ベンジャミン・フランクリンが電気に関する広範な研究を行い、研究資金を得るために財産を売却した。1752年6月、彼は凧糸の先端に金属製の鍵を取り付け、嵐の恐れのある空で凧を飛ばしたと伝えられている。[ 15 ]鍵から手の甲に飛び散った一連の火花は、雷が確かに電気的な性質を持つことを示した。[ 16 ]彼はまた、大量の電荷を蓄える装置としてのライデン瓶の一見矛盾する動作[ 17 ]を、正負両方の電荷からなる電気として説明した。[ 14 ]

黒いスーツを着た男性の半身像の油絵
マイケル・ファラデーの発見は電気モーター技術の基礎を形成しました。

1775年、ヒュー・ウィリアムソンは王立協会に電気ウナギのショックに関する一連の実験を報告した。[ 18 ]同年、外科医で解剖学者のジョン・ハンターは魚の電気器官の構造について説明した。[ 19 ] [ 20 ] 1791年、ルイジ・ガルヴァーニは生体電磁気学の発見を発表し、電気がニューロンが筋肉に信号を伝える媒体であると実証した。 [ 21 ] [ 22 ] [ 14 ] 1800年のアレッサンドロ・ボルタの電池、またはボルタ電池は亜鉛と銅の交互の層で作られ、科学者にそれまで使用されていた静電気機械よりも信頼性の高い電気エネルギー源を提供した。[ 21 ] [ 22 ]電磁気学、すなわち電気現象と磁気現象の統一性は、1819年から1820年にかけてハンス・クリスチャン・エルステッドとアンドレ＝マリー・アンペールによって認識されました。マイケル・ファラデーは1821年に電動機を発明し、ゲオルク・オームは1827年に電気回路を数学的に解析しました。[ 22 ]電気と磁気（そして光）は、ジェームズ・クラーク・マクスウェルによって、特に1861年と1862年に発表された『物理的力線について』によって明確に結び付けられました。[ 23 ] : 148

19世紀初頭には電気科学が急速に進歩しましたが、19世紀後半には電気工学において最も大きな進歩が見られました。アレクサンダー・グラハム・ベル、オットー・ブラシ、トーマス・エジソン、ガリレオ・フェラリス、オリバー・ヘヴィサイド、アニョス・イェドリク、ウィリアム・トムソン、初代ケルビン男爵、チャールズ・アルジャーノン・パーソンズ、ヴェルナー・フォン・ジーメンス、ジョセフ・スワン、レジナルド・フェッセンデン、ニコラ・テスラ、ジョージ・ウェスティングハウスといった人々を通して、電気は科学的な好奇心から現代生活に不可欠なツールへと変化しました。[ 24 ]

1887年、ハインリヒ・ヘルツ[ 25 ] : 843–44 [ 26 ]は、紫外線を照射された電極が電気火花をより容易に発生させることを発見しました。1905年、アルバート・アインシュタインは、光電効果の実験データは光エネルギーが離散的な量子化されたパケットで運ばれ、電子にエネルギーを与える結果であると説明する論文を発表しました。この発見は量子革命につながりました。アインシュタインは1921年に「光電効果の法則の発見」によりノーベル物理学賞を受賞しました。 [ 27 ]光電効果は、太陽電池に見られるような光電池にも利用されています。

最初の固体素子は、 1900年代にラジオ受信機で初めて使用された「猫のひげ検出器」でした。ひげのようなワイヤーを固体結晶（ゲルマニウム結晶など）に軽く接触させ、接触接合効果によって無線信号を検出します。 [ 28 ]固体素子では、電流はそれをスイッチングおよび増幅するために特別に設計された固体元素および化合物に閉じ込められます。電流の流れは、負に帯電した電子と、正に帯電した電子の欠陥である正孔の2つの形態で理解できます。これらの電荷と正孔は量子物理学の観点から理解されています。構成材料は、ほとんどの場合、結晶半導体です。[ 29 ] [ 30 ]

固体電子工学は、トランジスタ技術の出現とともに独自の地位を確立しました。最初の実用的なトランジスタであるゲルマニウムベースの点接触型トランジスタは、 1947年にベル研究所のジョン・バーディーンとウォルター・ハウザー・ブラッテンによって発明されました[ 31 ]。その後、 1948年にはバイポーラ接合型トランジスタが発明されました[ 32 ]。

概念

電荷

透明なガラスドームには外部電極があり、ガラスを通して一対の金箔に接続されています。帯電した棒が外部電極に触れると、金箔同士が反発します。
金箔電気計に電荷を流すと、金箔同士が互いに反発し合うのが目に見えてわかります。

現代の慣習では、電子が運ぶ電荷は負、陽子が運ぶ電荷は正と定義されています。[ 33 ]これらの粒子が発見される前に、ベンジャミン・フランクリンはガラス棒を絹の布でこすったときに得られる電荷を正電荷と定義していました。[ 34 ]陽子は定義上、ちょうど1.602 176 634 × 10 −19 クーロン。この値は素電荷とも定義されます。物体は素電荷よりも小さい電荷を持つことはできません。物体が持つ電荷の量は素電荷の倍数です。電子は等しい負の電荷を持ちます。−1.602 176 634 × 10 −19 クーロン。電荷は物質だけでなく反物質にも存在し、それぞれの反粒子は対応する粒子と等しく反対の電荷を帯びている。[ 35 ]

電荷が存在すると静電気力が生じます。電荷は互いに力を及ぼし合います。この効果は古代では知られていましたが、理解されていませんでした。 [ 25 ] : 457 細い糸で吊るされた軽いボールは、布でこすって帯電させたガラス棒で触れさせることで帯電します。同じガラス棒で同様のボールを帯電させると、最初のボールを反発することがわかっています。つまり、電荷によって2つのボールが離れる方向に力が働くのです。こすった琥珀色の棒で帯電した2つのボールも互いに反発します。しかし、一方のボールをガラス棒で帯電させ、もう一方のボールを琥珀色の棒で帯電させると、2つのボールは互いに引き合うことがわかります。これらの現象は18世紀後半にシャルル・オーギュスタン・ド・クーロンによって研究され、彼は電荷が2つの反対の形で現れると推論しました。この発見から、よく知られた公理が生まれました。同じ電荷を持つ物体は反発し、反対の電荷を持つ物体は引き合うのです。[ 25 ]

力は荷電粒子自体に作用するため、電荷は導電面上にできるだけ均一に広がろうとする傾向があります。電磁力の大きさは、引力であれ斥力であれ、クーロンの法則によって与えられます。この法則は、力を電荷の積に関連させ、電荷間の距離に反比例します。 [ 36 ] [ 37 ] : 35 電磁力は非常に強く、その強さは強い相互作用に次いで2番目ですが、[ 38 ]その力とは異なり、あらゆる距離に作用します。[ 39 ]はるかに弱い重力と比較すると、2つの電子を押し離す電磁力は、電子を引き寄せる重力の10の42乗倍です。[ 40 ]

電荷は特定の種類の素粒子から発生し、その中で最もよく知られているキャリアは電子と陽子です。電荷は、自然界の 4 つの基本的な力の 1 つである電磁力を発生させ、相互作用します。実験により、電荷は保存量であることがわかっています。つまり、電気的に隔離されたシステム内の正味電荷は、そのシステム内で発生する変化に関係なく、常に一定のままです。[ 41 ]システム内では、直接接触するか、ワイヤなどの導電性材料を通過することによって、物体間で電荷が移動します。[ 37 ]：2–5 非公式な用語である静電気は、通常、異なる材料がこすり合わされ、一方から他方に電荷が移動するときに発生する、物体上の正味電荷の存在（または「不均衡」）を指します。

電荷は様々な方法で測定できるが、初期の計測器としては金箔電気計があり、これは今でも教室での実演に使われているが、電子式電気計に取って代わられた。[ 37 ]：2–5

電流

電荷の動きは電流と呼ばれ、その強さは通常アンペアで測定されます。電流はあらゆる運動する荷電粒子から構成されます。最も一般的な荷電粒子は電子ですが、運動するあらゆる電荷が電流を構成します。電流は導体など一部の物体を流れますが、電気絶縁体には流れません。[ 42 ]

歴史的慣習により、正電流は、それに含まれる正電荷と同じ方向の流れを持つ、または回路の最も正の部分から最も負の部分へ流れるものとして定義されます。このように定義された電流は、従来型電流と呼ばれます。最もよく知られている電流の形態の1つである、電気回路の周りの負に帯電した電子の動きは、したがって、電子の動きと反対方向に正であるとみなされます。 [ 43 ]ただし、条件に応じて、電流はいずれかの方向、または同時に両方向への荷電粒子の流れで構成される場合があります。正から負への慣習は、この状況を単純化するために広く使用されています。

2本の金属線が逆V字型に伸び、その先端の間を、まばゆいばかりに明るいオレンジがかった白色の電弧が流れている。
電気アークは電流の活発な発生を示します。

電流が物質を通過する過程は電気伝導と呼ばれ、その性質は荷電粒子の性質とそれらが通過する物質によって異なります。電流の例としては、電子が金属などの導体を流れる金属伝導や、イオン（荷電原子）が液体や電気火花などのプラズマを流れる電気分解などがあります。粒子自体は非常にゆっくりと移動し、平均移動速度が1秒あたり数分の1ミリメートルしかないこともありますが[ 37 ]、 粒子を駆動する電界自体は光速に近い速度で伝播するため、電気信号は電線に沿って高速で通過することができます[ 44 ]

電流はいくつかの観察可能な効果を引き起こし、歴史的にはそれが電流の存在を認識する手段でした。水がボルタ電池からの電流によって分解できることは、1800年にニコルソンとカーライルによって発見されました。このプロセスは現在では電気分解として知られています。彼らの研究は、1833年にマイケル・ファラデーによって大きく拡張されました。抵抗を通る電流は局所的な加熱を引き起こしますが、この効果はジェームズ・プレスコット・ジュールが1840年に数学的に研究しました。[ 37 ] : 23–24 電流に関する最も重要な発見の1つは、1820年にハンス・クリスチャン・エルステッドによって偶然なされました。講義の準備中に、彼は電線の電流が磁気コンパスの針を乱すのを目撃しました。[ 23 ] : 370 [ a ]彼は電気と磁気の基本的な相互作用である電磁気学を発見しました。電気アークによって発生する電磁放射のレベルは電磁干渉を引き起こすほど高く、隣接する機器の動作に悪影響を及ぼす可能性があります。[ 45 ]

工学や家庭での用途では、電流は直流(DC) または交流(AC) のいずれかとして説明されることが多い。これらの用語は、電流が時間とともにどのように変化するかを指す。直流は、たとえば電池から生成され、ほとんどの電子機器に必要な電流であり、回路のプラス側からマイナス側への一方向の流れである。[ 46 ] : 11 最も一般的なように、この流れが電子によって運ばれる場合、電子は反対方向に移動します。交流は、繰り返し方向が反転する電流であり、ほとんどの場合、正弦波の形をとります。[ 46 ] : 206–07 交流は、時間の経過とともに電荷が正味の距離を移動することなく、導体内を前後に脈動します。交流の時間平均値はゼロですが、最初に一方向にエネルギーを供給し、次に逆方向にエネルギーを供給します。交流は、インダクタンスや静電容量など、定常状態の直流では観察されない電気的特性の影響を受けます。[ 46 ] : 223–25 しかし、これらの特性は、回路が最初に通電されたときなど、 過渡現象にさらされるときに重要になることがあります。

電界

電場の概念はマイケル・ファラデーによって提唱されました。電場は、周囲の空間に帯電体が存在することで発生し、その内部に置かれた他の電荷に力を及ぼします。電場は、2つの質量間に働く重力場と同様に、2つの電荷間に作用し、重力場と同様に無限大に広がり、距離と反比例する関係を示します。[ 39 ]しかし、重要な違いがあります。重力は常に2つの質量を引き寄せる引力として作用しますが、電場は引力または斥力として作用します。惑星などの大きな物体は一般に正味電荷を持たないため、離れた場所での電場は通常ゼロです。したがって、重力ははるかに弱いにもかかわらず、宇宙において遠距離では支配的な力です。[ 40 ]

平面導体上の正電荷から発せられる磁力線

電場は一般に空間的に変化し、[ b ]ある一点における電場の強さは、その点に静止した無視できる電荷を置いた場合に感じる力（単位電荷あたり）として定義されます。[ 25 ] : 469–70 「テスト電荷」と呼ばれる概念上の電荷は、自身の電場が主電場を乱さないように無視できるほど小さくなければならず、また磁場の影響を防ぐために静止していなければなりません。電場は力によって定義され、力は大きさと方向を持つベクトルであるため、電場はベクトル場であるということになります。[ 25 ] : 469–70

静止電荷によって生成される電場の研究は静電気学と呼ばれます。電場は、任意の点において電場の方向と同じ方向を持つ仮想的な線の集合として視覚化できます。この概念はファラデーによって提唱され[ 47 ] 、彼の「力線」という用語は今でも時々使われています。力線とは、点状の正電荷が電場内を強制的に移動させられる際に作ろうとする経路です。しかし、これは物理的には存在しない架空の概念であり、電場は線と線の間の空間全体に浸透します[ 47 ] 。静止電荷から発生する力線には、いくつかの重要な特性があります。第一に、力線は正電荷から発生し、負電荷で終了します。第二に、力線は良導体に直角に進入する必要があります。第三に、力線は交差したり閉じたりすることはありません。[ 25 ] : 479

中空の導体は、その電荷のすべてを外表面に運ぶ。したがって、導体内部のあらゆる場所で電界は0となる。[ 37 ] : 88 これがファラデーケージの動作原理である。ファラデーケージは、内部を外部の電気的影響から隔離する導電性の金属殻である。

静電気の原理は、高電圧機器の設計において重要です。あらゆる媒体が耐えられる電界強度には限界があります。この限界を超えると絶縁破壊が発生し、帯電した部品間でアーク放電が発生します。例えば、空気は1センチメートルあたり30kVを超える電界強度で、小さな隙間をアーク放電する傾向があります。より大きな隙間では、絶縁破壊の強度は弱くなり、おそらく1センチメートルあたり1kV程度です。[ 48 ]：2 最も顕著な自然現象は雷です。雷は、上昇する空気柱によって雲の中で電荷が分離され、空気中の電界が耐えられるレベルを超えて上昇することで発生します。大規模な雷雲の電圧は100MVにも達し、放電エネルギーは250kWhにも達することがあります。[ 48 ]：201–02

電界強度は近くの導体によって大きく左右され、特に鋭利な物体の周りを曲がる方向に強制的に曲げられると、電界強度は著しく増大します。この原理は避雷針に利用されており、避雷針の鋭い突起は、本来保護すべき建物ではなく、避雷針に落雷を誘導する働きをします。[ 49 ] : 155

電位

単三電池 2 本には、それぞれの片方の端にプラス記号が付いています。
単3電池2本。+記号は電池端子間の電位差の極性を示します。

電位の概念は、電場の概念と密接に関連しています。電場内に置かれた小さな電荷は力を受け、その力に逆らって電荷をその地点まで運ぶには仕事が必要です。任意の地点での電位は、単位試験電荷を無限遠からその地点までゆっくりと運ぶために必要なエネルギーとして定義されます。これは通常ボルトで測定され、1 ボルトは、1クーロンの電荷を無限遠から運ぶのに 1ジュールの仕事を要する電位です。 [ 25 ] : 494–98 この電位の定義は形式的ではありますが、実用性はほとんどなく、より有用な概念は電位差であり、これは単位電荷を 2 点間で移動させるのに必要なエネルギーです。電場は保存的であり、つまり試験電荷がたどる経路は無関係です。つまり、指定された 2 点間のすべての経路は同じエネルギーを消費するため、電位差の一意の値を述べることができます。[ 25 ] : 494–98 ボルトは電位差の測定と説明に選ばれる単位として広く認識されているため、電圧という用語が日常的に広く使用されています。

実用上、電位を表現し比較するための共通の基準点を定義することは有用である。この基準点は無限大でもよいが、はるかに有用な基準点は地球そのものである。地球はどこでも同じ電位にあると仮定されている。この基準点は当然のことながら、アース（大地）またはグラウンド（接地）と呼ばれる。地球は正負の電荷を同量持つ無限の源であり、したがって電気的に帯電していない、そして帯電し得ないと考えられる。[ 50 ]

電位はスカラー量である。つまり、大きさのみを持ち、方向を持たない。高さに似ていると考えることもできる。放たれた物体が重力場によって生じる高低差を落下するように、電荷は電場によって生じる電圧を横切って落下する。[ 51 ]地形図に高さの等しい点を示す等高線が描かれるように、静電的に帯電した物体の周囲には、電位の等しい点を示す線（等電位線）を描くことができる。等電位線はすべての力線と直角に交差する。また、等電位線は導体の表面と平行でなければならない。そうでないと、導体の表面に沿って力が働き、表面の電位を均一にしてしまうからである。

電場は正式には単位電荷あたりに及ぼされる力として定義されていましたが、電位の概念により、より有用で同等の定義が可能になります。すなわち、電場とは電位の局所的な勾配です。通常、ボルト/メートルで表され、電場のベクトル方向は電位の勾配が最大となる線であり、等電位線が最も接近する点です。[ 37 ] : 60

電磁石

電線はリーダーに向かって電流を流します。磁場を表す同心円は、リーダーから見ると、電線の周りを反時計回りに回転します。
磁場は電流の周りを回る

1821年、エルステッドは電流を流す電線の周囲に磁場が存在することを発見しました。これは、電気と磁気の間に直接的な関係があることを示していました。さらに、この相互作用は、当時知られていた自然界の二つの力である重力と静電気力とは異なるように思われました。コンパスの針に働く力は、電流を流す電線に向かっても遠ざかっても作用せず、電線に対して直角に作用していました。[ 23 ] : 370 エルステッドは「電気的な衝突は回転するように作用する」と述べました。この力は電流の方向によっても変化し、電流の流れが逆になると、力も逆方向に変化しました。[ 52 ]

エルステッドは自身の発見を完全に理解していなかったが、その効果は相互的であることに気づきました。電流は磁石に力を及ぼし、磁場は電流に力を及ぼします。この現象はアンペールによってさらに研究され、2本の平行な電流導線が互いに力を及ぼすことを発見しました。同じ方向に電流を流す2本の導線は互いに引き寄せられ、反対方向に電流を流す2本の導線は互いに引き離されます。[ 53 ]この相互作用は、それぞれの電流が生み出す磁場によって媒介され、アンペアの国際的な定義の基礎となっています。[ 53 ]

小型電気モーターの断面図
電気モーターは電磁気学の重要な効果を利用しています。磁場を流れる電流は、磁場と電流の両方に対して直角の力を受けます。

磁場と電流のこの関係は極めて重要であり、1821年にマイケル・ファラデーが電気モーターを発明するきっかけとなった。ファラデーの単極モーターは、水銀プールに置かれた永久磁石で構成されていた。磁石の上の支点から吊り下げられた導線を水銀に浸し、電流を流した。磁石は導線に接線方向の力を加え、電流が流れている限り導線は磁石の周りを回転した。[ 54 ]

ファラデーは1831年に実験を行い、磁界に垂直に動く電線の両端に電位差が生じることを明らかにした。この現象は電磁誘導として知られ、さらに解析を進めることで、閉回路に誘導される電位差は回路を通る磁束の変化率に比例するという、現在ファラデーの誘導の法則として知られる原理を提唱した。この発見を応用し、彼は1831年に世界初の発電機を発明した。回転する銅板の機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機である。[ 54 ]ファラデーの円板は効率が悪く、実用的な発電機としては役に立たなかったが、磁気を用いて電力を生成する可能性を示し、この可能性は彼の研究の後継者たちによって引き継がれた。[ 55 ]

電気回路

キャプションを参照
基本的な電気回路。左側の電圧源Vは回路全体に電流Iを流し、抵抗器Rに電気エネルギーを送ります。抵抗器から電流は電源に戻り、回路が完成します。

電気回路は、電荷が閉じた経路（回路）に沿って流れるように電気部品を相互接続したもので、通常は何らかの有用なタスクを実行します。[ 56 ]

電気回路を構成する部品は、抵抗器、コンデンサ、スイッチ、変圧器、電子部品など、様々な形態をとることができます。電子回路には能動部品（通常は半導体）が含まれており、一般的に非線形挙動を示すため、複雑な解析が必要となります。最も単純な電気部品は、受動部品および線形部品と呼ばれるものです。これらの部品は一時的にエネルギーを蓄えることはできますが、エネルギー源を持たず、刺激に対して線形応答を示します。[ 57 ] : 15–16

抵抗器は、おそらく最も単純な受動回路素子です。その名の通り、電流に抵抗し、そのエネルギーを熱として消散させます。抵抗は導体中の電荷の動きによって生じます。例えば金属では、抵抗は主に電子とイオンの衝突によって生じます。オームの法則は回路理論の基本法則で、抵抗器を通過する電流は抵抗器の両端の電位差に正比例するというものです。ほとんどの材料の抵抗は、温度と電流の範囲にわたって比較的一定です。このような条件下にある材料は「オーム性」と呼ばれます。抵抗の単位であるオームは、ゲオルク・オームにちなんで名付けられ、ギリシャ文字のΩで表されます。1Ωは、1アンペアの電流に対して1ボルトの電位差を生じる抵抗値です。[ 57 ] : 30–35

コンデンサはライデン瓶の発展形であり、電荷を蓄積し、それによって生じる電界に電気エネルギーを蓄えることができる装置である。コンデンサは、薄い絶縁誘電体層で分離された2枚の導電板で構成される。実際には、薄い金属箔をコイル状に巻くことで単位体積あたりの表面積、ひいては静電容量を増加させる。静電容量の単位はファラッドで、マイケル・ファラデーにちなんで名付けられ、記号はFである。1ファラッドは、1クーロンの電荷を蓄えた際に1ボルトの電位差を生じる静電容量である。電圧源に接続されたコンデンサは、電荷を蓄積する際に最初は電流を発生させるが、コンデンサが満杯になるにつれてこの電流は徐々に減少し、最終的にはゼロになる。したがって、コンデンサは定常電流を許容するのではなく、むしろ遮断する。[ 57 ]：216–20

インダクタは導体（通常はコイル状の電線）で、電流に応じて磁場にエネルギーを蓄えます。電流が変化すると磁場も変化し、導体の両端に電圧を誘導します。誘導電圧は電流の時間変化率に比例します。この比例定数はインダクタンスと呼ばれます。インダクタンスの単位はヘンリーで、ファラデーと同時代のジョセフ・ヘンリーにちなんで名付けられました。1ヘンリーは、電流が1アンペア/秒の速度で変化した場合に1ボルトの電位差を誘導するインダクタンスです。インダクタの挙動は、コンデンサの挙動と逆の傾向があります。つまり、一定電流は自由に流しますが、急激に変化する電流は阻止します。[ 57 ]：226–29

電力

電力とは、電気回路によって伝達される電気エネルギーの速度です。SI単位系はワット（1ジュール/秒）です。

電力は、機械力と同様に、仕事を行う速度であり、ワットで測定され、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）差を通過することで生成されるワット単位の電力は、

P＝単位時間あたりの仕事＝質問Vt＝私V{\displaystyle P={\text{単位時間あたりの仕事}}={\frac {QV}{t}}=IV\,}

どこ

Qはクーロン単位の電荷です
tは秒単位の時間です
Iは電流（アンペア）です
Vは電位または電圧（ボルト）です

電力は一般的に電力会社によって企業や家庭に供給されています。電力は通常、キロワット時（3.6MJ）単位で販売されます。これは、キロワット（kW）単位の電力と稼働時間（時間）の積です。電力会社は電力メーターを用いて電力を測定し、顧客に供給された電力量を常に記録しています。化石燃料とは異なり、電気は低エントロピーのエネルギーであり、運動エネルギーやその他の多くの形態のエネルギーに高効率で変換できます。[ 58 ]

エレクトロニクス

表面実装電子部品

電子工学は、真空管、トランジスタ、ダイオード、センサー、集積回路などの能動電気部品と、関連する受動的な相互接続技術を含む電気回路を扱います。 [ 59 ]：1–5、71 能動部品の非線形動作と電子の流れを制御する能力により、デジタルスイッチングが可能になり、[ 59 ]：75 電子工学は情報処理、電気通信、信号処理に広く利用されています。回路基板、電子実装技術、その他の様々な通信インフラストラクチャなどの相互接続技術は、回路の機能を完成させ、混合コンポーネントを通常の動作システムに変換します。[ 59 ]

今日、ほとんどの電子機器は電子制御に半導体部品を用いています。半導体の仕組みを説明する基本原理は固体物理学で研究されていますが[ 60 ]、実用的な問題を解決するための電子回路の設計と構築は電子工学の一部です[ 61 ]。

電子機器はトランジスタを利用しています。トランジスタはおそらく20世紀で最も重要な発明の一つであり、[ 62 ]あらゆる現代回路の基本的な構成要素です。現代の集積回路は、わずか数センチメートル四方の領域に数十億個の小型トランジスタを集積していることもあります。[ 63 ]

電磁波

ファラデーとアンペールの研究は、時間とともに変化する磁場は電場を作り出し、時間とともに変化する電場は磁場を作り出すことを示した。したがって、どちらかの場が時間とともに変化すると、必ずもう一方の場が誘導される。[ 25 ]：696–700 これらの変化が電磁波である。電磁波は1864年にジェームズ・クラーク・マクスウェルによって理論的に解析された。マクスウェルは、電場、磁場、電荷、電流の相互関係を一義的に記述できる一連の方程式を開発した。彼はさらに、真空中ではそのような波が光速で伝わることを証明し、したがって光自体が電磁放射の一種であることを証明した。光、場、電荷を統一するマクスウェル方程式は、理論物理学における偉大なマイルストーンの1つである。 [ 25 ]：696–700

多くの研究者の研究により、電子機器を用いて信号を高周波の振動電流に変換することが可能となり、適切な形状の導体を介して、電気はこれらの信号を電波で非常に長い距離にわたって送受信することが可能となった。[ 64 ]

生産、保管、使用

発電と送電

20 世紀初頭にハンガリーのブダペストで製造された交流発電機。水力発電所の発電ホールに設置されている(プロクディン＝ゴルスキー撮影、1905 年 - 1915 年)。

紀元前6世紀、ギリシャの哲学者ミレトスのタレスは琥珀の棒を用いた実験を行いました。これは電気生成に関する最初の研究でした。現在では摩擦電気効果として知られるこの方法は、軽い物体を持ち上げ火花を発生させることができますが、非常に非効率でした。[ 65 ]実用的な電力源が利用可能になったのは、18世紀にボルタ電池が発明されてからのことでした。ボルタ電池、そしてその現代版である電池は、エネルギーを化学的に蓄え、必要に応じて電気として利用できるようにします。[ 65 ]

電力は通常、電気機械発電機によって発電されます。これらの発電機は、化石燃料の燃焼から発生する蒸気や核反応から放出される熱によって駆動されますが、より直接的には風や流水の運動エネルギーからも駆動されます。1884年にチャールズ・パーソンズ卿が発明した蒸気タービンは、蒸気の熱エネルギーを電気機械発電機で利用できる回転運動に変換するために今でも使用されています。このような発電機は、1831年にファラデーが発明した単極ディスク発電機とは似ても似つかないものですが、変化する磁場を結ぶ導体がその両端に電位差を誘導するというファラデーの電磁気原理に基づいています。[ 66 ]ソーラーパネルで発電される電気は、異なるメカニズムに基づいています。つまり、太陽光が光起電力効果によって直接電気に変換されるのです。[ 67 ]

約 12 基の 3 枚羽根の白い風力タービンを備えた風力発電所。
風力発電は多くの国で重要性が高まっています。

国家が近代化し経済が発展するにつれて、電力需要は急速に増加します。[ 68 ]アメリカ合衆国では、20世紀の最初の30年間、毎年12%の需要増加が見られました。[ 69 ]現在、インドや中国などの新興経済国もこの成長率を経験しています。[ 70 ] [ 71 ]

発電に関する環境問題、特に化石燃料の燃焼が気候変動に与える影響への懸念から、再生可能エネルギーによる発電への注目が高まっています。電力部門では、風力と太陽光発電が費用対効果の高いものとなり、化石燃料からのエネルギー転換を加速させています。 [ 72 ]

伝送と保存

19世紀後半の変圧器の発明は、より高い電圧とより低い電流で、より効率的に電力を送電することを可能にした。効率的な送電は、規模の経済性を活かした集中発電所で電力を発電し、比較的遠く離れた必要な場所まで送電することを可能にした。[ 73 ] [ 74 ]

通常、電力の需要は供給と一致しなければならない。なぜなら、電力貯蔵は難しいからである。[ 73 ]電力網の不可避な擾乱や損失を緩和するために、一定量の発電量を常に予備として保持しておかなければならない。[ 75 ]電力網における変動性のある再生可能エネルギー（風力や太陽光）のレベルが上昇するにつれ、需要と供給を一致させることがより困難になっている。そのギャップを埋める上で、貯蔵がますます重要な役割を果たすようになっている。エネルギー貯蔵技術には、電池（電気化学貯蔵）、水素などの化学貯蔵、熱または機械式（揚水発電など）の4種類があり、それぞれ技術の成熟度が異なる。[ 76 ]

アプリケーション

電球の写真
白熱電球は電気の初期の応用であり、ジュール熱、つまり電流が抵抗を通過することで熱が発生する現象によって動作します。

電気はエネルギーを輸送する非常に便利な手段であり、その用途は多岐にわたり、その数はますます増えています。[ 77 ] 1870年代に実用的な白熱電球が発明されたことで、照明は電力を公的に利用できる最初の手段の一つとなりました。電化には危険が伴いましたが、ガス照明の裸火に代わることで、家庭や工場における火災の危険性は大幅に減少しました。[ 78 ]多くの都市で、急成長する電気照明市場をターゲットとした公益事業が設立されました。20世紀後半から現代にかけて、電力部門の規制緩和の傾向が見られます。[ 79 ]

フィラメント電球に用いられる抵抗性ジュール熱効果は、電気暖房にもより直接的に利用されている。これは用途が広く制御可能であるが、ほとんどの発電はすでに発電所での熱生産を必要としているため、無駄が多いと考えられる。[ 80 ]デンマークなど多くの国では、新築の建物での抵抗性電気暖房の使用を制限または禁止する法律が制定されている。[ 81 ]しかし、電気は依然として暖房や冷房のための非常に実用的なエネルギー源であり、[ 82 ]エアコン/ヒートポンプは暖房と冷房の電力需要の成長分野であり、その影響に電力会社はますます対応する義務を負っている。[ 83 ] [ 84 ]電化は、輸送（電気自動車を使用）や暖房（ヒートポンプを使用）など、化石燃料の直接燃焼に依存する部門の脱炭素化において重要な役割を果たすと期待されている。[ 85 ] [ 86 ]

電磁気の作用は、クリーンで効率的な動力源である電気モーターに最も顕著に利用されています。ウインチのような固定式のモーターは容易に電力を供給できますが、電気自動車のように用途に応じて移動するモーターは、バッテリーなどの電源を携行するか、パンタグラフなどの摺動接点から電流を収集する必要があります。電気自動車は、電気バスや電車[ 87 ]、電気自動車[ 88 ]などの公共交通機関で使用されています。

電気は電気通信や電信に利用されています。1860年代に大陸横断電信システムと大西洋横断電信システムが構築されたことで、電気によって地球全体で数分で通信が可能になりました。

電気と自然界

生理学的効果

人体に電圧を加えると、組織に電流が流れます。この関係は非線形ですが、電圧が高いほど電流も大きくなります。[ 89 ]知覚の閾値は供給周波数と電流の経路によって異なりますが、商用周波数の電気の場合は約0.1 mAから1 mAです。ただし、特定の条件下では、マイクロアンペアほどの低電流でも電気振動効果として検出できます。[ 90 ]電流が十分に高ければ、筋肉の収縮、心房細動、組織の火傷を引き起こします。[ 89 ]導体が帯電していることが目に見えてわからないため、電気は特に危険です。感電による痛みは激しい場合があり、電気が拷問の方法として使用されることもあります。[ 91 ]感電による死、つまり電死は、20世紀末までには使用が非常に稀になったものの、米国の一部の州では今でも司法による死刑執行に使用されています。 [ 92 ]

自然界における電気現象

電気ウナギ（Electrophorus electricus）

電気は人間の発明ではなく、自然界でいくつかの形で観察され、特に雷が有名です。マクロレベルで馴染みのある多くの相互作用、例えば接触、摩擦、化学結合などは、原子スケールの電界間の相互作用によるものです。地球の磁場は、地球の核を循環する電流の自然なダイナモによるものです。 [ 93 ]石英や砂糖などの特定の結晶は、押されると面に電位差が生じます。[ 94 ]この現象は、ギリシャ語で「押す」を意味するpiezein (πιέζειν) に由来する圧電性として知られ、1880年にピエール・キュリーとジャック・キュリーによって発見されました。その効果は相互的で、圧電性材料に電界をかけるとサイズがわずかに変化します。[ 94 ]

サメなどの一部の生物は電界の変化を感知し反応することができ、この能力は電気受容と呼ばれています。[ 95 ]一方、電気発生性と呼ばれる他の生物は、捕食または防御の武器として使用するために電圧を自ら発生することができます。これらは異なる目に属する電気魚です。 [ 3 ]デンキウナギが最もよく知られている裸目は、発電細胞と呼ばれる変形した筋肉細胞から発生する高電圧を介して獲物を感知または気絶させます。[ 3 ] [ 4 ]すべての動物は、活動電位と呼ばれる電圧パルスを使用して細胞膜に沿って情報を伝達します。その機能には、神経系によるニューロンと筋肉の間の伝達が含まれます。[ 96 ]電気ショックはこのシステムを刺激し、筋肉を収縮させます。[ 97 ]活動電位はまた、特定の植物の活動を調整する役割を担っています。[ 96 ]

文化的認識

1850年代、イギリスの政治家ウィリアム・グラッドストンが科学者マイケル・ファラデーに電気の価値について尋ねたと伝えられています。ファラデーは「いつか税金を課すかもしれません」と答えました。[ 98 ] [ 99 ] [ 100 ]しかし、Snopes.comによると、「この逸話はファラデーや同時代の人々の記録（手紙、新聞、伝記など）には記載されておらず、ファラデーの死後かなり経ってから初めて登場したため、真偽のほどは定かではない」とのことです。[ 101 ]

19世紀から20世紀初頭にかけて、工業化された西洋世界においてさえ、電気は多くの人々の日常生活の一部ではありませんでした。そのため、当時の大衆文化では、電気は生者を殺したり死者を蘇らせたり、あるいは自然の法則を曲げたりできる神秘的で準魔法的な力として描かれることが多かったのです。 [ 102 ] : 69 この考え方は、1771年にルイージ・ガルヴァーニが行った実験に端を発しています。この実験では、動物に電気を流すと死んだカエルの脚がピクピクと動くことが示されました。ガルヴァーニの研究の直後、医学文献には、一見すると死んだ、あるいは溺死したと思われる人の「蘇生」、つまり蘇生が報告されました。これらの結果は、メアリー・シェリーが『フランケンシュタイン』（1819年）を執筆した際に既に知られていましたが、彼女は怪物の蘇生方法については言及していません。電気による怪物の蘇生は、後にホラー映画の定番テーマとなりました。

第二次産業革命の生命線として電気が一般大衆に知られるようになると、電気を扱う人々はより肯定的な光で描かれるようになった。[ 102 ] : 71 ラドヤード・キプリングの1907年の詩『マーサの息子たち』に登場する「生きている電線を継ぎ合わせながら、手袋の先で死をかみしめる」労働者たちのように。[ 102 ] : 71 あらゆる種類の電気自動車は、ジュール・ヴェルヌやトム・スウィフトの本のような冒険物語に大きく登場する。[ 102 ] : 71 電気の達人は、架空の人物であれ実在の人物であれ、トーマス・エジソン、チャールズ・シュタインメッツ、ニコラ・テスラなどの科学者を含め、魔法使いのような力を持っていると一般に考えられていた。[ 102 ] : 71

20世紀後半には電気が目新しいものではなく日常生活の必需品となったため、電気が大衆文化で特に注目されるようになったのは、電気が止まったとき、つまり通常は災害の前兆となるときだけであった。[ 102] : 71ジミー・ウェッブの歌 「 ウィチタ・ラインマン」（1968年）に登場する無名のヒーローのように、電気を流し続ける人々は、 [ 102 ] : 71 今でも英雄的で魔法使いのような人物として描かれることが多い。[ 102 ] : 71

参照

注記

  1. ^これが講義の前か、講義中か、講義後かに関しては説明が分かれている。
  2. ^ほとんどすべての電場は空間的に変化します。例外として、無限に広がる平面導体を取り囲む電場は均一です。
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参考文献

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