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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のことです。電気は磁気と関連しており、両者ともマクスウェル方程式で記述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、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であり、磁場を発生させます。ほとんどの用途において、クーロンの法則は帯電粒子に作用する力を決定します。電位とは、電場内で電荷をある位置から別の位置へ移動させるのに必要な仕事であり、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、電流を用いて機器にエネルギー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、および関連する受動的な相互接続技術を扱う電子機器分野で利用されている。
電気現象の研究は古代に遡り、理論的な理解は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の理論の発展は大きな進歩であり、世紀末までに電気技師によって電気が産業や家庭で利用されるようになりました。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、電気の多用途性が産業と社会の両方に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、現代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以前から、人々は電気魚によるショックを認識していました。紀元前2750年に遡る古代エジプトの文書では、電気魚は他のすべての魚の「守護者」として記述されています。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電気魚が報告されました。[ 2 ]プリニウスやスクリボニウス・ラルグスなどの古代の著述家は、電気ナマズや電気エイによる電気ショックの麻痺効果を証言し、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ました。[ 3 ]痛風や頭痛などの病気の患者は、強力なショックが病気を治すことを期待して、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でこすると、羽などの軽い物体を引き寄せることができることが知られていました。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ました。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]タレスは、この引き寄せが磁気効果によるものだと考えていましたが、これは誤りでした。しかし、後の科学は磁気と電気の関連性を証明することになります。[ 9 ]
電気は、1600年にイギリスの科学者ウィリアム・ギルバートが『De Magnete』を著すまで、何千年もの間、知的好奇心の対象に過ぎなかった。ギルバートは、こ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て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」、ギリシャ語で「琥珀」を意味するἤλεκτρον、elektronから）という造語を作った。[ 10 ]この関連性から英語の「electric」と「electricity」という言葉が生まれ、1646年にトーマス・ブラウンの『Pseudodoxia Epidemica』で初めて印刷物に登場した。 [ 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』に書かれたアイデアは、おそらく電気力の場理論の始まりと言えるだろう。[ 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・フェイらがさらに研究を行った。[ 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、研究資金を捻出するために所有物を売却した。1752 年 6 月、彼は湿らせた凧糸の先端に金属製の鍵を取り付け、嵐の予報が出ている空で凧を揚げたと言われている。[ 15 ]鍵から手の甲に火花が次々と飛び散ったことから、雷は確かに電気的な性質のものであることが示された。[ 16 ]彼はまた、大量の電荷を蓄える装置であるライデン瓶の、一見矛盾した挙動を、正電荷と負電荷の両方からなる電気という観点から説明した。[ 17 ]
1775年、ヒュー・ウィリアムソンはデンキウナギが与える電気ショックに関する一連の実験を王立協会に報告した。[ 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を記述した。[ 19 ] [ 20 ] 1791年、ルイージ・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ことを実証した。 [ 21 ] [ 22 ] [ 14 ] 1800年、アレッサンドロ・ボルタの電池、またはボルタ電池は、亜鉛と銅の層を交互に重ねて作られ、科学者にそれまで使用されていた静電発電機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・アンペールによってなされた。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た。[ 22 ]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年の著書『力の物理的線について』の中で決定的に結びつけられた。[ 23 ] : 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大の進歩を遂げた。アレクサンダー・グラハム・ベル、オットー・ブラティ、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、アーニョス・イェドリック、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によって、電気は科学的な好奇心の対象から現代生活に不可欠な道具へと変化した。[ 24 ]
1887年、ハインリヒ・ヘルツ[ 25 ]： 843-44 [ 26 ]は、紫外線で照射された電極は電気火花を起こしやすいことを発見した。1905年、アルベルト・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[ 27 ] 。光電効果は、太陽電池パネルなどに見られる光電池にも利用されている。
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。ひげ状のワイヤーを固体結晶 (ゲルマニウム結晶など) に軽く接触させて、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損である正孔の 2 つの形で理解できます。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本格的に発展した。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[ 31 ]、続いて1948年にバイポーラ接合トランジスタが発明された[ 32 ]。
現代の慣例では、電子が持つ電荷は負、陽子が持つ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以前、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生じる電荷を正電荷と定義していました。[ 34 ]陽子は定義上、正確に の電荷を帯びています。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。物体は素電荷より小さい電荷を持つことはできず、物体が持つ電荷の量はすべて素電荷の倍数です。電子は等しい負電荷を持ちます。−1.602 176 634 × 10 −19 クーロン。電荷は物質だけでなく反物質も持ち、各反粒子は対応する粒子と等しく反対の電荷を持つ。[ 35 ]
電荷の存在は静電気力を生み出します。電荷は互いに力を及ぼし合い、この効果は古代に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ることで帯電させることができます。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ります。電荷は2つのボールを遠ざけるように作用します。こすった琥珀の棒で帯電させた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、もう一方を琥珀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、電荷は2つの反対の形で現れると推論されました。この発見は、同種の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というよく知られた公理につながりました。[ 25 ]
力は荷電粒子自体に作用するため、電荷は導体表面上にできるだけ均等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、力を電荷の積に関係させ、電荷間の距離の二乗に反比例します。[ 36 ] [ 37 ] : 35電磁力は非常に強く、強い相互作用に次いで2番目に強い力ですが、[ 38 ]その力とは異なり、あらゆる距離で作用します。[ 39 ]はるかに弱い重力と比較すると、2つの電子を遠ざける電磁力は、それらを引き寄せる重力の引力の10 42倍です。 [ 40 ]
電荷は特定の種類の素粒子から生じ、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つの基本力の1つである電磁力を生み出し、電磁力と相互作用します。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電荷は、そのシステム内で何の変化が起こっても常に一定のままです。[ 41 ]システム内では、電荷は、直接接触するか、導線などの導電性材料を介して通過することによって、物体間で転送されることがあります。[ 37 ] : 2–5非公式な用語である静電気は、物体上の正味の電荷の存在（または「不均衡」）を指し、通常は異なる材料同士がこすり合わされて、一方から他方に電荷が転送されるときに発生します。
電荷は様々な方法で測定できるが、初期の測定機器としては金箔検電器があり、これは現在でも教室でのデモンストレーションに使用されているものの、電子式検電器に取って代わられている。[ 37 ]： 2-5
電荷の移動は電流として知られており、その強さは通常アンペアで測定されます。電流は、移動するあらゆる荷電粒子で構成されます。最も一般的なのは電子ですが、移動するあらゆる電荷が電流を構成します。電流は電気伝導体などの一部の物質を流れることができますが、電気絶縁体は流れません。[ 42 ]
歴史的慣習により、正の電流は、含まれる正電荷と同じ流れの方向を持つか、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ます。このように定義された電流は慣習電流と呼ばれます。最もよく知られている電流の形態の 1 つは、電気回路を回る負に帯電した電子の動きであり、電子の動きとは逆の方向が正とみなされます。 [ 43 ]ただし、条件によっては、電流はどちらの方向にも、あるいは両方向に同時に電荷粒子が流れるものになることもあります。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。
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とそれらが通過する物質の性質によって異なります。電流の例としては、金属などの導体を電子が流れる金属伝導や、イオン（荷電原子）が液体中を流れる電気分解、または電気火花などのプラズマ中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、平均ドリフト速度は毎秒わずか数ミリメートル程度ですが、[ 37 ] : 17それらを駆動する電場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伝わります。[ 44 ]
電流はいくつかの観測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あった。ボルタ電池からの電流によって水が分解されることは、1800 年にニコルソンとカーライルによって発見され、このプロセスは現在電気分解として知られている。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た。抵抗を流れる電流は局所的な加熱を引き起こし、この効果は1840 年にジェームズ・プレスコット・ジュールによって数学的に研究された。[ 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に行われた。彼は講義の準備中に、導線を流れる電流が磁気コンパスの針を乱すのを目撃した。[ 23 ] : 370 [ a ]彼は電気と磁気の間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発生する電磁波のレベルは、電磁干渉を引き起こすのに十分な高さであり、隣接する機器の動作に悪影響を及ぼす可能性がある。[ 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示している。電池から生成され、ほとんどの電子機器で必要とされる直流は、回路の正極から負極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、電子は逆方向に移動する。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、正弦波の形をとる。[ 46 ]： 206-07したがって、交流は、電荷が時間とともに正味の距離を移動することなく、導体内で前後にパルス状に流れる。交流の時間平均値はゼロであるが、エネルギーはまず一方向に、次に逆方向に供給される。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る。[ 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の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、周囲の空間にある帯電した物体によって生成され、その場内に配置された他の電荷に力を及ぼします。電場は、2つの電荷の間で、重力場が2つの質量の間で作用するのと同様の方法で作用し、重力場と同様に無限遠まで広がり、距離の2乗に反比例します。[ 39 ]しかし、重要な違いがあります。重力は常に引力として作用し、2つの質量を引き寄せますが、電場は引力または斥力のどちらかをもたらす可能性があります。惑星などの大きな物体は一般的に正味の電荷を持たないため、遠距離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、宇宙では遠距離で支配的な力です。[ 40 ]
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、その電荷が受ける力（単位電荷あたり）として定義される。[ 25 ]： 469-70 「試験電荷」と呼ばれる概念的な電荷は、自身の電場が主電場を乱さないように、極めて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らない。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ことがわかる。[ 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、任意の点で方向が電場の方向と同じである一連の仮想線によって視覚化できます。この概念はファラデーによって導入され[ 47 ] 、彼の用語「力線」は現在でも時折使用されています。力線は、点正電荷が電場内で移動を強いられたときにたどろうとする経路ですが、物理的な存在を持たない仮想的な概念であり、電場は力線間のすべての空間に浸透しています[ 47 ] 。静止電荷から発する力線にはいくつかの重要な特性があります。第一に、力線は正電荷から始まり負電荷で終わります。第二に、力線は良導体に直角に進入しなければなりません。第三に、力線は決して交差したり、自身に閉じたりすることはありません[ 25 ]： 479
中空の導体は、その電荷をすべて外面に集中させます。そのため、物体内部のあらゆる場所で電場はゼロになります。[ 37 ]： 88これは、内部を外部の電気的影響から隔離する導電性金属シェルであるファラデーケージの動作原理です。
高電圧機器の設計においては、静電気の原理が重要です。あらゆる媒体が耐えられる電界強度には有限の限界があります。この限界を超えると、電気的破壊が発生し、帯電した部分間でアーク放電によるフラッシュオーバーが起こります。例えば、空気は、電界強度が1センチメートルあたり30 kVを超えると、小さな隙間でもアーク放電を起こしやすい傾向があります。より大きな隙間では、その破壊強度は弱くなり、おそらく1センチ メートルあたり1 kV程度になります。[ 48 ]： 2この現象の最も分かりやすい自然現象は雷です。雷は、上昇気流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限界を超えることで発生します。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影響を受け、特に鋭利な物体を迂回するように曲げられると強くなる。この原理は避雷針に利用されており、その鋭い突起は、保護対象の建物ではなく、その突起自体に落雷が発生するように促す働きをする。[ 49 ]： 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、その電荷をその力に逆らってその点まで移動させる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その点までゆっくりと移動させるのに必要なエネルギーとして定義されます。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移動させるのに1ジュールの仕事が必要となる電位です。[ 25 ]： 494-98この電位の定義は形式的ではありますが、実際的な応用はほとんどなく、より有用な概念は電位差であり、これは単位電荷を2つの指定された点の間で移動させるのに必要なエネルギーです。電場は保存的であるため、試験電荷がたどる経路は関係ありません。2つの指定された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指定できます。[ 25 ] : 494–98ボルトは電位差の測定と記述に最適な単位として強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。
実用的な目的のために、電位を表現して比較できる共通の基準点を定義することは有用です。これは無限遠点でも構いませんが、はるかに有用な基準点は地球そのものであり、地球はどこでも同じ電位であると想定されます。この基準点は当然、地球または地面と呼ばれます。地球は同量の正電荷と負電荷の無限の源であると想定され、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ません。[ 50 ]
電位はスカラー量です。つまり、大きさのみを持ち、方向はありません。高さに例えることができます。放たれた物体が重力場によって生じる高さの差を通過するように、電荷は電場によって生じる電圧を横切って「落下」します。[ 51 ]地形図が等高線で等しい高さの点を示すように、等しい電位の点を示す一連の線（等電位線として知られています）を静電気を帯びた物体の周囲に描くことができます。等電位線はすべての力線と直角に交わります。また、導体の表面に平行でなければなりません。そうでないと、導体の表面に沿って力が働き、電荷キャリアを移動させて表面全体の電位を均一にしてしまうからです。
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るが、電位の概念を用いることで、より有用で同等の定義が可能となる。すなわち、電場は電位の局所的な勾配 である。通常、ボルト/ メートルで表される電場のベクトル方向は、電位の傾きが最大となる線であり、等電位線が最も接近する線である。[ 37 ]： 60
1821年にエルステッドが、電流が流れる導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、当時知られていた自然の2つの力である重力と静電気力とは異なるように見えた。方位磁針の針にかかる力は、電流が流れる導線に向かっても、導線から離れるようにも作用せず、導線に対して直角に作用した。 [ 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」と述べている。力は電流の方向にも依存し、流れが逆になると力も逆になった。[ 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いた。電流は磁石に力を及ぼし、磁場は電流に力を及ぼす。この現象はアンペールによってさらに研究され、彼は2本の平行な電流が流れる導線が互いに力を及ぼし合うことを発見した。同じ方向に電流が流れる2本の導線は互いに引き合い、反対方向に電流が流れる導線は互いに引き離される。[ 53 ]この相互作用は各電流が生成する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。[ 53 ]
磁場と電流のこの関係は、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ため、非常に重要である。ファラデーの単極モーターは、水銀のプールの中に置かれた永久磁石で構成されていた。磁石の上にある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及ぼし、電流が流れている間、ワイヤーは磁石の周りを回転した。[ 54 ]
1831年にファラデーが行った実験により、磁場に垂直に動く導線の両端に電位差が生じることが明らかになった。電磁誘導として知られるこの過程をさらに分析した結果、閉回路に誘導される電位差はループを通過する磁束の変化率に比例するという原理（現在ファラデーの誘導法則として知られている）を定式化した。この発見を利用して、彼は1831年に最初の発電機を発明し、回転する銅の円盤の機械エネルギーを電気エネルギーに変換した。[ 54 ]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、磁気を利用して発電できる可能性を示しており、この可能性は彼の研究を引き継いだ人々によって活用されることになる。[ 55 ]
電気回路とは、電気部品を相互接続して、通常は何らかの有用なタスクを実行するために、閉じた経路（回路）に沿って電荷を流すようにしたものです。[ 56 ]
電気回路の構成要素は、抵抗器、コンデンサ、スイッチ、変圧器、電子部品など、さまざまな形態をとることができます。電子回路には、通常は半導体などの能動部品が含まれており、一般的に非線形挙動を示すため、複雑な解析が必要です。最も単純な電気部品は、受動的で線形と呼ばれるものです。これらは一時的にエネルギーを蓄積す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、電流の流れに抵抗し、そのエネルギーを熱として放散します。抵抗は導体中の電荷の移動の結果であり、例えば金属では、抵抗は主に電子とイオンの衝突によるものです。オームの法則は回路理論の基本法則であり、抵抗器を流れる電流は、抵抗器の両端の電位差に正比例すると述べています。ほとんどの材料の抵抗は、温度と電流の範囲で比較的一定です。このような材料は「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させる抵抗です。[ 57 ]： 30-35
コンデンサはライデン瓶を発展させたもので、電荷を蓄積し、それによって生じる電場に電気エネルギーを蓄えることができる装置です。コンデンサは、薄い絶縁誘電体層で隔てられた2枚の導体板で構成されています。実際には、薄い金属箔をコイル状に巻き付けることで、単位体積あたりの表面積、ひいては静電容量を増加させています。静電容量の単位はファラド（F）で、マイケル・ファラデーにちなんで名付けられました。1ファラドとは、1クーロンの電荷を蓄積したときに1ボルトの電位差を生じる静電容量のことです。電源に接続されたコンデンサは、電荷を蓄積するにつれて最初は電流を流しますが、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衰し、最終的にはゼロになります。したがって、コンデンサは定常電流を許容せず、むしろそれを遮断します。[ 57 ]： 216-20
インダクタは、通常はコイル状の導線からなる導体であり、流れる電流に応じて磁場にエネルギーを蓄積します。電流が変化すると磁場も変化し、導体の両端に電圧が発生します。この誘導電圧は電流の時間変化率に比例します。この比例定数をインダクタンスと呼びます。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ヘンリーとは、流れる電流が毎秒1アンペアの割合で変化した場合に、1ボルトの電位差を誘導するインダクタンスのことです。インダクタの挙動は、ある意味でコンデンサの挙動とは逆です。インダクタは一定電流は自由に流しますが、急速に変化する電流には抵抗します。[ 57 ]： 226-29
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のことである。電力のSI単位はワット（W ）で、1秒あたり1ジュールに相当する。
電力は、機械力と同様に、仕事率であり、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、電位差（電圧）Vを通過することによって生成される電力（ワット）は次のようになります。
どこ
電力は一般的に電力産業によって企業や家庭に供給されます。電力は通常キロワット時（3.6 MJ）単位で販売され、これはキロワット単位の電力に時間単位の運転時間を掛けたものです。電力会社は電力メーターを使用して電力を測定し、顧客に供給された電力の総量を継続的に記録します。化石燃料とは異なり、電気はエントロピーの低いエネルギー形態であり、運動エネルギーや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 ]
電子工学は、真空管、トランジスタ、ダイオード、センサ、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。 [ 59 ] : 1–5、71能動部品の非線形挙動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形態の通信インフラストラクチャなどの相互接続技術により、回路の機能が完成し、さまざまな部品が通常の動作システムに変換されます。[ 59 ]
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。半導体がどのように機能するか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 ]、実際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、おそらく20世紀で最も重要な発明の1つであるトランジスタ[ 62 ]を利用しており、これはすべての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もの小型トランジスタを含むことができます[ 63 ] 。
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が電場を生成し、時間とともに変化する電場が磁場を生成することを示した。したがって、いずれ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これらの変化は電磁波である。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播し、したがって光自体が電磁放射の一形態であることを証明できた。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一つである。 [ 25 ] : 696–700
多くの研究者の努力により、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になり、適切な形状の導体を介して、電気によってこれらの信号を電波で非常に長距離にわたって送受信することが可能になった。[ 64 ]
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た実験を行った。これは電気の生成に関する最初の研究であった。摩擦帯電効果として知られるこの方法は、軽い物体を持ち上げたり火花を発生させたりすることができるが、非常に非効率的である。[ 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だった。ボルタ電池とその現代の子孫である電気電池は、エネルギーを化学的に蓄え、必要に応じて電気の形で利用できるようにしている。[ 65 ]
電気エネルギーは通常、電気機械式発電機によって生成されます。これらは、化石燃料の燃焼によって生成された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、風や流れる水の運動エネルギーから直接的に駆動されることもあります。1884 年にチャールズ・パーソンズ卿によって発明された蒸気タービンは、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円盤発電機とは全く似ていませんが、変化する磁場に連結された導体がその両端に電位差を誘起するという彼の電磁気原理に依然として依存しています。[ 66 ]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ます。太陽放射は、光起電力効果を使用して直接電気に変換されます。[ 67 ]
国の近代化と経済発展に伴い、電力需要は急速に増加する。[ 68 ]米国では、20世紀最初の30年間、毎年12%の需要増加が見られた。[ 69 ]この成長率は、現在インドや中国などの新興経済国でも見られる。[ 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源からの発電への注目が高まっている。電力部門では、風力発電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る。 [ 72 ]
19世紀後半の変圧器の発明により、より高い電圧でより低い電流で電力をより効率的に送電することが可能になった。効率的な送電は、規模の経済性を享受できる集中型発電所で発電し、必要な場所に比較的長距離送電できるようになったことを意味する。[ 73 ] [ 74 ]
通常、電力の貯蔵は困難であるため、電力需要は供給と一致する必要があります。[ 73 ]電力網が避けられない障害や損失から保護されるように、一定量の発電量を常に予備として保持する必要があります。[ 75 ]電力網における変動性の高い再生可能エネルギー（風力および太陽光エネルギー）のレベルが増加するにつれて、供給と需要を一致させることはより困難になっています。貯蔵は、そのギャップを埋める上でますます重要な役割を果たしています。エネルギー貯蔵技術には、それぞれ技術成熟度が異なる4つのタイプがあります。バッテリー（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）です。[ 76 ]
電気はエネルギーを伝達する非常に便利な方法であり、膨大な数の用途に適用され、その数は増え続けている。[ 77 ] 1870年代に実用的な白熱電球が発明されたことで、照明は電気エネルギーの最初の公共利用用途の1つとなった。電化にはそれなりの危険も伴ったが、ガス灯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は大幅に減少した。[ 78 ]多くの都市で、電気照明の急成長する市場をターゲットにした公共事業体が設立された。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ている。[ 79 ]
フィラメント電球に用いられる抵抗ジュール加熱効果は、電気暖房にもより直接的に利用されている。これは汎用性が高く制御可能であるが、ほとんどの発電で既に発電所での熱生成が必要となっているため、無駄が多いと見なされる可能性がある。[ 80 ]デンマークなど多くの国では、新築建物での抵抗電気暖房の使用を制限または禁止する法律を制定している。[ 81 ]しかしながら、電気は依然として暖房や冷房に非常に実用的なエネルギー源であり、[ 82 ]空調/ヒートポンプは暖房と冷房のための電力需要の増加分野であり、電力会社はその影響に対応する義務をますます負っている。[ 83 ] [ 84 ]電化は、輸送（電気自動車の使用）や暖房（ヒートポンプの使用）など、化石燃料の直接燃焼に依存する分野の脱炭素化において重要な役割を果たすと予想されている。[ 85 ] [ 86 ]
電磁気の効果は、クリーンで効率的な動力源を提供する電動機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モーターは容易に電源を供給できますが、電気自動車のように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。電気で動く乗り物は、電気バスや電車などの公共交通機関[ 87 ]や電気自動車[ 88 ]で使用されています。
電気は通信分野、特に電信において利用されている。1860年代に大陸横断電信システムや大西洋横断電信システムが構築されたことで、電気によって世界中で数分以内に通信が可能になった。
人体に電圧をかけると組織に電流が流れ、その関係は非線形ではあるものの、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、主電源周波数の電気では約0.1mA から1mAです 。ただし、特定の条件下では、マイクロアンペア程度の低い電流でも電気振動効果として検出できます。[ 90 ]電流が十分に高い場合、筋肉の収縮、心臓の細動、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を示す目に見える兆候がないため、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、電気は拷問の方法として用いられることもあります。[ 91 ]感電死（電気処刑）は、 20世紀末までには非常にまれになったものの、現在でも米国の一部の州で司法処刑に用いられています。 [ 92 ]
電気は人間の発明ではなく、自然界ではさまざまな形で観察できます。特に雷がそうです。接触、摩擦、化学結合など、巨視的なレベルでよく知られている多くの相互作用は、原子スケールでの電場間の相互作用によるものです。地球の磁場は、惑星の核にある循環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、押すと表面に電位差を生じます。[ 94 ]この現象は、ギリシャ語のpiezein （πιέζειν）（押すという意味）に由来する圧電性として知られており、1880年にピエールとジャック・キュリーによって発見されました。効果は相互的です。圧電材料が電場にさらされると、わずかにサイズが変化します。[ 94 ]
サメなどの一部の生物は、電場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して知られています。[ 95 ]一方、電気発生性と呼ばれる他の生物は、捕食や防御の武器として電圧を自ら生成することができます。これらは、さまざまな目に属する電気魚です。 [ 3 ]最もよく知られている例はデンキウナギであるギムノティフォルメス目は、電気細胞と呼ばれる特殊な筋肉細胞から生成される高電圧によって獲物を感知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で細胞膜に沿って情報を伝達し、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。[ 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、特定の植物の活動の調整にも関与しています。[ 96 ]
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ころ、ファラデーは「いつか、あなたはそれに課税するかもしれません」と答えたと言われている。[ 98 ] [ 99 ] [ 100 ]しかし、Snopes.comによると、「この逸話はファラデー本人や同時代の人物の記録（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出てきたため、偽りであると考えるべきだ」[ 101 ] 。
19世紀から20世紀初頭にかけて、電気は工業化された西洋世界でさえ、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、電気はしばしば、生きている者を殺し、死者を蘇らせ、あるいは自然の法則を曲げることができる、神秘的で、ほとんど魔法のような力として描かれていた。 [ 102 ] : 69この態度は、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る。この実験では、死んだカエルの足に動物電気を当てると、足がぴくぴくと動くことが示された。ガルヴァーニの研究後まもなく、医学文献には、明らかに死んでいるか溺れている人の「蘇生」または蘇生が報告された。メアリー・シェリーは、フランケンシュタイン（1819年）を執筆した際にこれらの結果を知ったが、怪物の蘇生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、電気を操る人々はより肯定的に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、「生きた電線をつなぎ合わせながら、手袋の先に死の危険を感じている」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・スウィフトシリーズなどの冒険物語に大きく登場した。[ 102 ] : 71トーマス・エジソン、チャールズ・スタインメッツ、ニコラ・テスラといった科学者を含む、架空の人物であろうと実在の人物であろうと、電気の達人たちは、魔法使いのような力を持っていると一般的に考えられていた。[ 102 ] : 71
20世紀後半、電気は目新しいものではなく、日常生活に欠かせないものとなったが、大衆文化において特に注目を集めるのは、電気が止まった時だけである。[ 102 ] : 71電気が止まることは、通常、災害の前兆となる出来事である。[ 102 ] : 71ジミー・ウェッブの歌「ウィチタ・ラインマン」（1968年）に登場する名もなき主人公のように、電気を供給し続ける人々は、今でもしばしば英雄的で魔法使いのような人物として描かれる。[ 102 ] : 71
アリストテレスとヒッピアスは、磁石と琥珀から論証して、無生物にも魂や生命を帰属させたと断言している。
タレスも、彼について記録されていることから判断すると、磁石が鉄を動かすのは磁石に魂があるからだと言っているので、魂を原動力と考えていたようです。
同じ種類の電気を帯びた2つの小さな球体の間の反発力は、2つの球体の中心間の距離の2乗に反比例する。」
