電力

電力の観点から、電気回路のコンポーネントは 2 つのカテゴリに分類できます。^{[ 2 ] [ 3 ]}

• 能動素子（電源）：従来の電流（正電荷）を、端子間の電場（ E ）の抵抗力に逆らって、低い電位から高い電位の方向にデバイス内を流すと（これは負電荷を持つ電子が正極から負極へ移動することに相当します）、電荷に対して仕事が行われます。つまり、機械エネルギーや化学エネルギーなど、他の種類のエネルギーから電気ポテンシャルエネルギーにエネルギーが変換されるのです。このような現象が起こるデバイスは、発電機や電池など、能動素子または電源と呼ばれます。
• 受動素子（負荷）：電流が素子内を高電位から低電位の方向（負の電子が負極から正極へ移動するのと同等）に流れる場合、電界の力と同じ方向であれば、素子上の電荷が仕事をします。端子間の電圧による電荷の位置エネルギーは、素子内で運動エネルギーに変換されます。これらの素子は受動部品または負荷と呼ばれ、回路から電力を「消費」し、それを機械的仕事、熱、光などの他の形態のエネルギーに変換します。例としては、電球、電気モーター、電気ヒーターなどの電気機器が挙げられます。

機器によっては、流れる電圧と電流によって、電源にも負荷にもなり得るものがあります。例えば、充電式バッテリーは、回路に電力を供給する際には電源として機能しますが、バッテリー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。

交流回路では、電圧と電流の方向は周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と流れ、負荷では、瞬間的な電流は高い電位から低い電位へと流れます。

電力は部品に流入することも流出することもできるため、どちらの方向が正の電力の流れを表すかという慣例が必要です。^{[ 2 ] [ 3 ]}回路から部品へ流れる電力は任意に正の符号を持つと定義され、部品から回路へ流れる電力は負の符号を持つと定義されます。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ちます。これは受動符号規約と呼ばれます。

抵抗負荷（オーム負荷、または線形負荷）の場合、電力の公式（P = I · V）とジュールの第一法則（P = I ² · R ）をオームの法則（V = I·R ）と組み合わせることで、消費される電力の量を表す別の式が得られます。 $${\displaystyle \wp =IV=I^{2}R={\frac {V^{2}}{R}}}$$ ここでRは電気抵抗である。

交流回路では、電圧の極性と電流の方向が1サイクルにつき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の反転も起こるため、回路は上述の直流回路と同様に動作し、電源から電力が流れ出し、負荷によって消費されます。

しかし、インダクタンスやキャパシタンスなどのエネルギー蓄積要素を持つ回路では、抵抗によって消費されるエネルギーに加えて、受動部品に流れ込む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可能性があります。交流波形の完全なサイクルにわたって平均化され、一方向に正味のエネルギー伝達をもたらすエネルギーの流れ（電力）の部分は、実電力（有効電力とも呼ばれる）として知られています。^{[ 4 ]}正味のエネルギー伝達をもたらさず、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の流れ（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 ]}電圧波の実効値と電流波の実効値の積は、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 実電力P （ワット）は、次のように表されます。$${\displaystyle \wp ={1 \over 2}V_{p}I_{p}\cos \theta =V_{\rm {rms}}I_{\rm {rms}}\cos \theta }$$ どこ

• Vp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
• Vrms_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値電流です。
• θ = θ _v − θ _iは、電圧正弦波が電流正弦波よりどれだけ進んでいるかを示す位相角、あるいは同等に、電流正弦波が電圧正弦波よりどれだけ遅れているかを示す位相角である。

実効電力、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。実効電力は水平方向のベクトルで、無効電力は垂直方向のベクトルで表されます。皮相電力ベクトルは、実効電力ベクトルと無効電力ベクトルを結んででき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、実効電力、無効電力、皮相電力の関係は次のようになります。 $$\displaystyle {\text{(皮相電力)}}^{2}={\text{(実効電力)}}^{2}+{\text{(無効電力)}}^{2}}$$

電流と電圧がともに正弦波であり、それらの間の位相角θが既知である場合、実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。 $$\displaystyle {\text{(実効電力)}}={\text{(皮相電力)}}\cos \theta }$$$$\displaystyle {\text{(無効電力)}}={\text{(皮相電力)}}\sin \theta }$$

実効電力と皮相電力の比は力率と呼ばれ、常に-1から1の間の値をとります。電流と電圧が非正弦波状の場合、力率は歪みの影響も考慮して一般化されます。

電気エネルギーは、電場と磁場が共存し、同じ場所で変動するあらゆる場所に流れます。その最も単純な例は、前のセクションで示したように電気回路です。しかし、一般的な場合、単純な方程式P = IVは、より複雑な計算に置き換えることができます。電場強度ベクトルと磁場強度ベクトルの外積の閉面積分は、体積から出る全瞬時電力 (ワット単位) を与えます。 ^{[ 7 ]}$${\displaystyle \wp =\oint _{\text{area}}(\mathbf {E} \times \mathbf {H} )\cdot d\mathbf {A} .}$$

結果はポインティングベクトルの面積分であるため、スカラー値になります。

電気発電の基本的な原理の多くは、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使われており、磁石の極の間でワイヤーのループや銅の円盤を動かすことによって電流が発生します。

電力会社にとって、これは消費者に電力を供給する最初のプロセスです。その他のプロセス、すなわち送電、配電、そして揚水発電方式を用いた電力の貯蔵と回収は、通常、電力業界によって行われます。

電気は主に発電所において、燃焼、地熱発電、または核分裂によって加熱された熱機関を動力源とする電気機械式発電機によって発電されます。その他にも、流水や風の運動エネルギーを利用する発電機もあります。太陽光発電パネルなど、電気を生成するために用いられる技術は他にも数多く存在します。

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装置です。 ^{[ 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アプリケーションで一般的な電源となっています。2005 年の推定によると、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 ]}年率 6% で成長しています。電池には 2 種類あります。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、充電して複数回使用できるように設計された二次電池 (充電式電池) です。電池はさまざまなサイズで入手可能です。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 センターの予備電源を提供する部屋サイズのバッテリー バンクまで。

電力産業は、送電網を通じて、電力を必要とする地域に十分な量の電力を生産・供給します。送電網は顧客に電気エネルギーを分配します。電力は中央発電所または分散型発電によって発電されます。電力産業は徐々に規制緩和の方向に向かっており、新興企業が従来の公営電力会社に競争を仕掛けています。^{[ 11 ]}