電気

電気は、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説明される電磁気現象の一部です。雷、静電気、電気加熱、放電など、 一般的な現象は電気に関連しています。

正または負の電荷が存在すると、電界が発生します。電荷の動きは電流となり、磁場が発生します。ほとんどの用途では、クーロンの法則によって電荷に作用する力が決まります。電位は、電界内のある点から別の点に電荷を移動させるために行われる仕事で、通常はボルトで測定されます。

電気は、電流を使用して機器に電力を供給する電力分野や、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や関連する受動相互接続技術を扱う電子機器分野で、多くの現代技術において中心的な役割を果たしています。

電気現象の研究は古代にまで遡り、理論的理解は17世紀と18世紀までゆっくりと進んできました。19世紀の電磁気学の理論の発展は大きな進歩を示し、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拡大は第二次産業革命の原動力となり、電気の汎用性が産業と社会の両方の変革を推進しました。電気は輸送、暖房、照明、通信、計算にわたる用途に不可欠であり、現代の産業社会の基盤となっています。^[1]

電気に関する知識が存在するずっと前から、人々は電気魚の電気ショックについて知っていた。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」として記述されている。電気魚は、その数千年後に古代ギリシャ、ローマ、アラビアの博物学者や医師によって再び報告されている。^[2]大プリニウスやスクリボニウス・ラルゴスなど、古代の著述家は、電気ナマズや電気エイの電気ショックが麻痺させる効果を証言しており、そのようなショックが導電性の物体に沿って伝わることを知っていた。^[3]痛風や頭痛などの病気の患者は、強力なショックで治るかもしれないという希望を抱いて、電気魚に触れるよう指示された。^[4]

地中海周辺の古代文化では、琥珀の棒などの特定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知っていた。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帯びるのに対し、磁鉄鉱などの鉱物はこする必要がないと考えた。 ^{[5] [6] [7] [8]}タレスは磁力が磁気効果によるものだと信じていたが、これは間違いだった。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から、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いう。ただし、この人工物が電気的性質のものであったかどうかは定かではない。^[9]

電気は、1600 年まで数千年の間、知的好奇心以上のものではなかったが、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注意深く研究し、磁石効果と琥珀をこすったときに生じる静電気を区別した。^[5]彼は、こすった後に小さな物体を引き付ける性質を指すために、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 ἤλεκτρον, elektron から来ている)を作った。 ^[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た。^[11]

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。^[12] 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、彼は湿らせた凧糸の底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。^[13]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であることを示した。^{[14]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した動作^[15]を、電気は正と負の両方の電荷からなるという観点から説明した。^[12]

1775年、ヒュー・ウィリアムソンは、電気ウナギが与えるショックに関する一連の実験結果を王立協会に報告した。^[16]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。^{[17] [18]} 1791年、ルイジ・ガルヴァーニは、電気がニューロンが筋肉に信号を伝達する媒体であることを実証し、生体電磁気学の発見を発表した。 ^{[19] [20] [12] 1800年に}アレッサンドロ・ボルタが亜鉛と銅の交互の層で作った電池、すなわちボルタ電池は、科学者に、それまで使用されていた静電機械よりも信頼性の高い電気エネルギー源を提供した。^{[19] [20]電気現象と磁気現象の統一である}電磁気学の認識は、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・アンペールによるものである。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た。^{[20]電気と磁気（および光）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年の「物理的な力線について」で明確に結び付けられました。^{[21] : 148}

19世紀初頭には電気科学が急速に進歩したが、19世紀後半には電気工学が最も大きな進歩を遂げた。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・シーメンス、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などの人々を通じて、電気は科学的好奇心から現代生活に不可欠なツールへと変化した。^[22]

1887年、ハインリッヒ・ヘルツ^{[23] : 843–44  [24]}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、電子を活性化した結果であると説明した論文を発表した。この発見は量子革命につながった。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た。 ^[25]光電効果は、太陽電池パネルに見られるような光電池にも利用されている。

最初のソリッドステートデバイスは、 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。 ^[26]ソリッドステートコンポーネントでは、電流は固体要素と、電流を切り替えて増幅するように特別に設計された化合物に限定されます。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ホールの2つの形式で理解できます。これらの電荷とホールは、量子物理学の観点から理解されています。構築材料は、ほとんどの場合、結晶半導体です。^{[27] [28]}

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、 ^[29] 1948年にはバイポーラ接合トランジスタが発明された。 ^[30]

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。^[31]これらの粒子が発見される前、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。 ^[32]定義上、陽子は正確に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、各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。^[33]

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。 ^{[23] : 457}細い糸で吊るされた軽量のボールは、布でこすって帯電させたガラス棒で触れることで帯電します。同様のボールを同じガラス棒で帯電させると、最初のボールを反発することがわかっています。電荷は2つのボールを引き離すように作用します。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・クーロンによって調査され、彼は電荷が2つの反対の形で現れると推論しました。この発見は、よく知られている公理につながりました。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。^[23]

力は荷電粒子自体に作用するため、電荷は導電面上で可能な限り均一に広がる傾向があります。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、電荷間の距離と反比例します。[ ^{34] [35] : 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、^[36]その力とは異なり、あらゆる距離で作用します。^{[37]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、それらを引き寄せる重力の10 ^{42倍です。 [38]}

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示されています。つまり、電気的に隔離されたシステム内の正味の電荷は、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。^[39]システム内では、電荷は直接接触するか、ワイヤなどの導電性材料を通過することによって、物体間で移動できます。^{[35] : 2–5}非公式な用語である静電気は、通常、異なる材料が擦れ合い、一方から他方に電荷が移動するときに発生する、物体上の正味の電荷の存在 (または「不均衡」) を指します。

電荷はさまざまな方法で測定できますが、初期の計測器としては金箔電気計があり、教室でのデモンストレーションにはまだ使用されていますが、電子電位計に取って代わられました。^{[35] : 2–5}

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。電流は移動する荷電粒子で構成されます。最も一般的な荷電粒子は電子ですが、移動する電荷はすべて電流を構成します。電流は電気導体を流れることができますが、電気絶縁体には流れません。^[40]

歴史的慣習により、正電流は、含まれる正電荷と同じ方向の流れを持つか、回路の最も正の部分から最も負の部分へ流れるものと定義される。このように定義された電流は、従来型電流と呼ばれる。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、電子の方向と反対方向で正であるとみなされる。 ^{[41]しかし、条件に応じて、電流はいずれかの方向への、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る。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る。

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。電流の例には、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）が液体または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することができ、平均ドリフト速度が1秒あたり数分の1ミリメートルしかない場合もありますが、 ^{[35] ：17}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、電気信号が電線に沿って高速で通過することができます。^[42]

電流はいくつかの目に見える効果を引き起こし、歴史的にはそれらの効果が電流の存在を認識する手段となっていた。1800年にニコルソンとカーライルは電池からの電流によって水が分解されることを発見したが、これは現在では電気分解として知られているプロセスである。彼らの研究は1833年にマイケル・ファラデーによって大幅に拡張された。抵抗を通る電流は局所的な加熱を引き起こし、ジェームズ・プレスコット・ジュールは1840年にその効果を数学的に研究した。^{[35] : 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た。^{[21] : 370  [a]彼は電気と磁気の基本的な相互作用である}電磁気学を発見した。電気アークによって生成され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与える可能性がある。^[43]

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。^{[44] : 11}この流れが電子によって運ばれる場合 (最も一般的な場合)、電子は反対方向に移動します。交流とは、方向を繰り返し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。^{[44] : 206–07}したがって、交流は導体内を前後に脈動しますが、電荷は時間の経過とともに正味の距離を移動しません。交流の時間平均値はゼロですが、最初は一方向にエネルギーを供給し、次に逆方向に供給します。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。^{[44] : 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。

電場の概念はマイケル・ファラデーによって導入されました。電場は周囲の空間にある荷電体によって生成され、その場にある他の電荷に力を及ぼします。電場は、2 つの質量間で重力場が作用するのと同じように 2 つの電荷間に作用し、重力場と同様に無限大に向かって広がり、距離と反比例関係を示します。^[37]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、電場は引力または反発力のいずれかになります。惑星などの大きな物体は一般に正味の電荷を運ばないため、離れた場所での電場は通常ゼロです。したがって、はるかに弱いにもかかわらず、重力は宇宙の離れた場所で支配的な力です。^[38]

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。^{[23] : 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、力は大きさと方向の両方を持つベクトルであるため、電場はベクトル場であると言えます。^{[23] : 469–70}

静止電荷によって生成される電界の研究は静電気学と呼ばれます。電界は、どの点でも電界と同じ方向を向く仮想の線のセットで視覚化できます。この概念はファラデーによって導入されました。^[45]彼の「力線」という用語は今でも時々使われています。電界線は、点状の正電荷が電界内を移動させられるときに作ろうとする経路です。しかし、これは物理的に存在しない架空の概念であり、電界は線の間のすべての介在空間に浸透します。^[45]静止電荷から発せられる電界線には、いくつかの重要な特性があります。第 1 に、電界線は正電荷から始まり、負電荷で終わること、第 2 に、電界線は良導体に直角に進入すること、第 3 に、電界線が交差したり閉じたりしないことです。^{[23] : 479}

中空の導体は、その外表面に電荷をすべて運ぶ。そのため、導体内部のあらゆる場所で電界は0となる。^{[35] : 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シェルである。

静電気の原理は、高電圧機器の設計において重要です。どのような媒体でも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、電気絶縁破壊が発生し、帯電した部品間で電気アークによるフラッシュオーバーが発生します。たとえば、空気は電界強度が 30 kV/cm を超えると、小さな隙間でアーク放電を起こします。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 kV/cm になります。^{[46] : 2}この現象の最も顕著な自然現象は雷です。これは、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範囲を超えて上昇するときに発生します。大きな雷雲の電圧は 100 MV にも達し、放電エネルギーは 250 kWh にもなります。^{[46] : 201–02}

電界強度は近くの導体によって大きく左右され、鋭く尖った物体の周りを曲がるときに特に強くなる。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、避雷針が保護する建物ではなく、避雷針に落雷を促す働きをする。^{[47] : 155}

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、その力に逆らってその点まで電荷を運ぶには仕事 が必要です。任意の点における電位は、単位試験電荷を無限遠からゆっくりとその点まで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。 ^{[23] : 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 つの指定された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 という特別な性質があり、これは試験電荷がたどる経路は無関係であることを意味します。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。^{[23] : 494–98}ボルトは電位差の測定と説明に選択される単位として非常によく認識されているため、電圧という用語は日常的に広く使用されています。

実用上、電位を表現し比較できる共通の基準点を定義することは有用である。これは無限遠でもよいが、より有用な基準は、どこでも同じ電位にあると想定される地球そのものである。この基準点は当然、地球または地面と呼ばれる。地球は、正電荷と負電荷が同量存在する無限の源であると想定されており、したがって電気的に帯電しておらず、帯電することもできない。^[48]

電位はスカラー量、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のと同じように、電荷は電場によって生じる電圧を横切って「落下」する。^[49]地形図に等高線で等しい高さの点が示されるように、静電的に帯電した物体の周囲に等電位点を示す線のセット（等電位線と呼ばれる）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。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、表面全体の電位を均一にしようと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。つまり、電場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、電位の傾斜が最大となる線であり、等電位線が最も接近する場所です。^{[35] : 60}

1821年にエルステッドが電流を流す電線の周囲に磁場が存在することを発見したことは、電気と磁気の間に直接的な関係があることを示していた。さらに、その相互作用は、当時知られていた2つの自然力である重力と静電気力とは異なるようだった。コンパスの針に働く力は、電流を流す電線に近づいたり遠ざけたりするのではなく、直角に作用した。 ^{[21] : 370}エルステッドは「電気の衝突は回転するように作用する」と述べた。力は電流の方向によっても異なり、流れが逆になると力も逆になる。^[50]

エルステッドは自分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と観察した。つまり、電流は磁石に力を及ぼし、磁場は電流に力を及ぼすのである。この現象はアンペールによってさらに研究され、アンペールは2本の平行な電流伝導線が互いに力を及ぼすことを発見した。つまり、同じ方向に電流を流す2本の線は互いに引き寄せられ、反対方向に電流を流す線は引き離されるのである。^{[51]この相互作用は各電流が作り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る。^[51]

磁場と電流の関係は極めて重要で、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の中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水銀に浸されたワイヤーに電流が流された。磁石はワイヤーに接線方向の力を加え、電流が流れている限りワイヤーは磁石の周りを回転した。^[52]

ファラデーが1831年に実験したところ、磁場に対して垂直に動く電線は、その両端に電位差を生じることが明らかになった。この過程は電磁誘導として知られ、さらに解析を進めると、閉回路に誘導される電位差はループ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述べることができた。この発見を利用して、彼は1831年に回転する銅の円盤の機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する最初の発電機を発明した。 ^[52]ファラデーの円盤は効率が悪く、実用的な発電機としては役に立たなかったが、磁気を使っ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。^[53]

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。^[54]

電気回路の部品は、抵抗器、コンデンサ、スイッチ、変圧器、電子機器などのさまざま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、通常は非線形の動作を示すため、複雑な分析が必要です。最も単純な電気部品は、受動部品と線形部品と呼ばれるものです。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。^{[55] : 15–16}

抵抗器は、おそらく最も単純な受動回路素子です。その名前が示すように、抵抗器は電流に抵抗し、そのエネルギーを熱として消散させます。抵抗は、導体を通る電荷の動きによって生じます。たとえば、金属の場合、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します。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。このような条件の材料は「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。1 Ω 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です。^{[55] : 30–35}

コンデンサはライデン瓶の発展型で、電荷を蓄え、その結果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 枚の導電板から成り、実際には薄い金属箔が巻かれて単位体積あたりの表面積、つまり静電容量が増加する。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ると 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、電荷を蓄積するときに最初は電流を発生させるが、コンデンサが満たされるにつれてこの電流は時間とともに減少し、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せず、代わりにそれをブロックする。^{[55] : 216–20}

インダクタは、通常、コイル状の導体で、電流に応じて磁場にエネルギーを蓄える。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する。誘導電圧は電流の時間変化率に比例する。比例定数はインダクタンスと呼ばれる。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ある。インダクタの挙動は、ある意味でコンデンサの挙動と逆である。つまり、変化しない電流は自由に流すが、急速に変化する電流は阻止する。^{[55] : 226–29}

電力とは、電気回路によって電気エネルギーが伝達される速度です。電力のSI単位はワット、つまり1 秒あたり1ジュールです。

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「ワット単位の電力」を意味します。t秒ごとにQクーロンの電荷からなる電流Iが電位(電圧) 差V 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、

${\displaystyle P={\text{work done per unit time}}={\frac {QV}{t}}=IV\,}$

どこ

Qはクーロン単位の電荷である

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（ボルト単位）です

電力は一般的に電力業界によって企業や家庭に供給されている。電気は通常、キロワット時（3.6MJ）で販売される。これは、キロワット単位の電力と稼働時間（時間）の積である。電力会社は電力メーターを使用して電力を測定し、顧客に供給される電気エネルギーの合計を保管する。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形態であり、高効率で運動または他の多くの形態のエネルギーに変換することができる。^[56]

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、関連する受動相互接続技術を含む電気回路を扱います。[ 57 ^{] ：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、^{[57] ：75}電子工学は情報処理、電気通信、信号処理で広く使用されています。回路基板、電子機器パッケージング技術、その他のさまざま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。

今日、ほとんどの電子機器は電子制御を行うために半導体部品を使用しています。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、^{[58]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。^[59]

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生成し、時間とともに変化する電場は磁場を生成することを示した。したがって、どちらかの場が時間とともに変化すると、もう一方の場が常に誘導される。^{[23] : 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分析された。マクスウェルは、電場、磁場、電荷、電流の相互関係を明確に記述できる一連の方程式を開発した。さらに、真空中ではそのような波は光速で伝わり、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、理論物理学の偉大なマイルストーンの1つである。^{[23] : 696–700}

多くの研究者の研究により、電子機器を使っ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できるようになりました。^[60]

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使って実験を行いました。これは電気の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ているこの方法は、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、非常に非効率的です。^{[61]実用的な電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でした。ボルタ電池と、その現代の後継である電池は、化学的にエネルギーを蓄え、必要に応じて電気の形で利用できるようにします。^[61]

電力は通常、電気機械式発電機によって生成される。これらは、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るが、より直接的には風や流水の運動エネルギーによって駆動される。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式発電機で使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る。このような発電機は、1831年のファラデーの単極ディスク発電機とは似ても似つかないが、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彼の電磁気原理に依存している。^[62]ソーラーパネルによって生成される電気は、異なるメカニズムに依存している。つまり、太陽光は光起電力効果を使用して直接電気に変換される。^[63]

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大します。^[64]米国では、20世紀の最初の30年間で毎年12%の需要増加が見られました。^[65]現在、インドや中国などの新興経済国でもこの成長率が見られます。^{[66] [67]}

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る。電力部門では、風力と太陽光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る。^[68]

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電力をより効率的に送電できることを意味しました。効率的な送電は、規模の経済の恩恵を受ける集中発電所で電気を生成し、比較的遠く離れた必要な場所に送電することを意味しました。^{[69] [70]}

通常、電力の需要は供給と一致していなければならない。なぜなら、電力貯蔵は難しいからである。^[69]電力網の不可避な擾乱や損失を和らげるために、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。 ^{[71]電力網における}変動性のある再生可能エネルギー（風力や太陽エネルギー）のレベルが上昇するにつれて、需要と供給を一致させることは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（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。^[72]

電気はエネルギーを輸送する非常に便利な方法であり、その用途は膨大で、その数は増え続けています。^[73] 1870年代に実用的な白熱電球が発明されたことで、照明は電力の最初の公的利用法の1つとなりました。電化には危険が伴いましたが、ガス照明の裸火を置き換えることで、家庭や工場での火災の危険性が大幅に減少しました。^[74]多くの都市で、急成長する電気照明市場をターゲットにした公共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方向へと流れ始めました。^[75]

フィラメント電球に使用されている抵抗性ジュール熱効果は、電気暖房にもより直接的に使用されています。これは多用途で制御可能ですが、ほとんどの発電ではすでに発電所での熱生産が必要であるため、無駄であると考えられます。^[76]デンマークなど多くの国では、新しい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ます。^{[77]ただし、電気は依然として暖房と}冷房のための非常に実用的なエネルギー源であり、^[78]エアコン/ヒートポンプは暖房と冷房の電力需要の増加分野を表しており、その影響に電力会社はますます対応する必要があります。^{[79] [80]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、直接化石燃料の燃焼に依存する部門の脱炭素化に大きな役割を果たすと予想されています。^{[81] [82]}

電磁気の効果は、クリーンかつ効率的な動力源となる電気モーターに最も顕著に利用されている。ウインチなどの固定モーターは簡単に電力を供給できるが、電気自動車などの用途に合わせて移動するモーターは、バッテリーなどの電源を持ち運ぶか、パンタグラフなどの摺動接点から電流を集める必要がある。電気で動く車両は、電気バスや電車などの公共交通機関で使用されており、^[83]個人所有の バッテリー駆動の電気自動車も増加している。

電気は通信に利用されており、実際、 1837年にクックとホイートストンによって商業的に実証された電信は、その最も初期の応用例の1つでした。1860年代に最初に大陸横断電信システム、次に大西洋横断電信システムが構築されたことで、電気によって数分で世界中^を通信できるようになりました。光ファイバーと衛星通信は通信システムの市場シェアを獲得していますが、電気は今後も通信プロセスの重要な部分であり続けると予想されます。

電子機器はトランジスタを利用している。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、^[85]現代のあらゆる回路の基本的な構成要素である。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内蔵していることもある。^[86]

人体に電圧をかけると、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。^[87]感知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。^[88]電流が十分に高ければ、筋肉の収縮、心室細動、組織の火傷を引き起こします。^[87]導体が帯電しているという目に見える兆候がないため、電気は特に危険です。電気ショックによる痛みは激しい場合があり、電気は拷問の手段として使用されることもあります。^[89]電気ショックによる死、つまり感電は、20 世紀末までには非常にまれになりましたが、米国の一部の州では今でも司法による処刑に使用されています。^[90]

電気は人間の発明ではなく、自然界では雷に代表されるさまざまな形で観察される。マクロレベルでよく知られている多くの相互作用、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ある。地球の磁場は、地球の中心核を流れる電流の自然発生的なダイナモによるものである。 ^[91]石英や砂糖などの特定の結晶は、押されると面全体に電位差が生じる。^[92]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た。その効果は相互的であり、圧電材料に電界をかけるとサイズがわずかに変化する。^[92]

サメなどの一部の生物は、電界の変化を感知して反応することができ、この能力は電気受容と呼ばれる。^[93]一方、電気発生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る。これらは、異なる目に属する電気魚である。 ^[3]デンキウナギが最もよく知られている裸子目は、電気細胞と呼ばれる改変された筋肉細胞から発生する高電圧を介して獲物を検出したり、気絶させたりします。^{[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間の通信が含まれます。^[94]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。^[95]活動電位は、特定の植物の活動を調整する役割も担っています。^[94]

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・ファラデーに電気がなぜ価値があるのか​​と尋ねたと伝えられている。ファラデーは「いつか電気に税金を課すかもしれません」と答えた。^{[96] [97] [98]}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）には何も書かれておらず、ファラデーの死後かなり経ってから初めて浮上したため、真偽のほどは不明である」とのことである。^[99]

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なかった。そのため、当時の大衆文化では、電気は、生きている者を殺したり、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。^{[100] : 69}この考え方は、動物の電気を流すと死んだカエルの足がピクピク動くという、ルイジ・ガルヴァーニの1771年の実験に始まった。ガルヴァーニの研究の直後、医学文献では、明らかに死んだ、あるいは溺死した人の「蘇生」または蘇生が報告された。これらの結果は、フランケンシュタイン（1819年）を執筆したメアリー・シェリーにも知られていたが、彼女は怪物の蘇生の方法には言及していない。電気による怪物の蘇生は、後にホラー映画の定番のテーマとなった。

第二次産業革命の生命線としての電気に対する一般の認識が高まるにつれ、電気を扱う人々はより肯定的な見方をされるようになった。^{[100] : 71}ラドヤード・キップリングの1907年の詩『マーサの息子たち』に登場する「手袋の先で死を覚悟しながら、生きている電線を何度もつなぎ合わせる」労働者たちのように。^{[100] : 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・スウィフトの本などの冒険物語に大きく登場する。^{[100] : 71}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・スタインメッツ、ニコラ・テスラなどの科学者を含む電気の達人は、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。^{[100] : 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り、大衆文化が電気に特別な関心を寄せるようになったのは、電気が止まったときだけであり、それは通常、災害の前兆となる出来事であった。^{[100] : 71 ジミー}・ウェッブの歌「ウィチタ・ラインマン」（1968年）の無名のヒーローのように、電気を流し続ける人々は、 ^{[100] : 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。^{[100] : 71}

• アンペールの回路法則は、電流の方向とそれに関連する磁流を結び付けます。
• 電位エネルギー、電荷システムの位置エネルギー
• 電力市場、電気エネルギーの販売
• 電気の語源、電気という言葉の起源と現在のさまざまな用法
• 水力アナロジー、水の流れと電流のアナロジー
• 発達的生体電気 – 生体細胞内で生成される電流

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• パターソン、ウォルター C. (1999)、「電力の変革：これからの変化の世代」、アーススキャン、ISBN 1-85383-341-X

• 電気回路のレッスン第 1 巻 DC 書籍およびシリーズの電気の基本概念の章。
• 「電気の100年」、1931年5月、ポピュラーメカニクス
• ソケットとプラグの規格
• 電気に関する誤解
• 電気と磁気
• 約10分で電気と電子工学を理解する