電圧

電圧
電池は多くの電気回路における電圧源です。
一般的な記号	V、 ∆V、 U、 ∆U​​
SI単位	ボルト
SI基本単位では	kg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −1
他の量からの導出	電圧 =エネルギー/電荷
寸法	${\displaystyle {\mathsf {M}}{\mathsf {L}}^{2}{\mathsf {T}}^{-3}{\mathsf {I}}^{-1}}$

電圧は、 （電気）電位差、電圧、または張力とも呼ばれ、2点間の電位差です。 ^{[1] [2]}静電場において、電圧は、正の試験電荷を最初の点から2番目の点に移動させるのに必要な電荷単位あたりの仕事に相当します。国際単位系（SI）では、電圧の派生単位はボルト（V）です。^{[3] [4] [5]}

点間の電圧は、電荷の蓄積（例：コンデンサ）や起電力（例：発電機の電磁誘導）によって発生する。^{[6] [7]}マクロなスケールでは、電位差は電気化学プロセス（例：セルやバッテリー）、圧力誘起圧電効果、熱電効果によって発生する。電位差は電位差であるため、物理的なスカラー量である。^[8]

電圧計は、システム内の2点間の電圧を測定するために使用できます。^{[9]多くの場合、システムの}接地などの共通の基準電位がポイントの1つとして使用されます。電圧は、エネルギー源、またはエネルギーの損失、散逸、または貯蔵に関連付けることができます。

単位電荷あたりの仕事のSI単位はジュール毎クーロンで、1ボルト=1クーロンの電荷あたり1ジュール（仕事）です。^[要出典]ボルトの古いSI定義では電力と電流が使用されていましたが、1990年以降は量子ホール効果とジョセフソン効果が使用され、^[10] 2019年にはすべてのSI単位の定義に 物理定数に定義された値が与えられました。

電圧は記号的に、簡略化してVで表されます^[11] 。特に英語圏では、記号Uが標準化されています。^{[12]たとえば、}オームの回路法則やキルヒホッフの回路法則の文脈で使用されます。 ${\displaystyle \Delta V}$

電気化学電位は、電圧計で直接測定できる電圧です。^{[13] [14]}異種材料の接合部に存在するガルバニ電位も電荷あたりの仕事ですが、外部回路の電圧計で測定することはできません（ガルバニ電位と電気化学電位を参照）。

電圧は、負に帯電した物体はより高い電圧に引っ張られ、正に帯電した物体はより低い電圧に引っ張られるように定義されます。^{[15] [16]}したがって、ワイヤまたは抵抗器内の従来の電流は常に高い電圧から低い電圧に流れます。

歴史的に、電圧は「張力」や「圧力」などの用語で表現されてきました。今日でも、「張力」という用語は、たとえば熱電子バルブ (真空管) ベースの電子機器や自動車用電子機器でよく使用される「高張力」(HT) というフレーズの中で使用されています。

静電気学では、点からある点への電圧の増加は、静電ポテンシャルがからに変化することによって表される。定義により、^{[17] ：78}これは次のようになる。 ${\displaystyle \mathbf {r} _{A}}$${\displaystyle \mathbf {r} _{B}}$ ${\textstyle V}$${\displaystyle \mathbf {r} _{A}}$${\displaystyle \mathbf {r} _{B}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta V_{AB}&=V(\mathbf {r} _{B})-V(\mathbf {r} _{A})\\&=-\int _{\mathbf {r} _{0}}^{\mathbf {r} _{B}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}-\left(-\int _{\mathbf {r} _{0}}^{\mathbf {r} _{A}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\right)\\&=-\int _{\mathbf {r} _{A}}^{\mathbf {r} _{B}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\end{aligned}}}$

電界の強度は ここです。${\displaystyle \mathbf {E} }$

この場合、点Aから点Bへの電圧増加は、加速を起こさずに電荷をAからBに移動させるために電場に逆らって単位電荷あたりに行われた仕事に等しい。^{[17] : 90–91}数学的には、これはその経路に沿った電場の線積分として表される。静電気学では、この線積分は経路とは無関係である。^{[17] : 91}

この定義によれば、交流回路など、時間とともに変化する磁場が存在する回路では、電気力は保存力ではないため、回路内のノード間に明確な電圧は生じません。^{[注 1]}ただし、電界と磁界が急速に変化しない低周波数では、これを無視できます (静電近似を参照)。

電位は電気力学に一般化することができ、時間変化する場が存在する場合でも点間の電位差を明確に定義することができる。しかし、静電気学とは異なり、電場はもはや電位だけで表現することはできない。^{[17] : 417}さらに、電位はもはや定数まで一意に決定されず、ゲージの選択に応じて大幅に異なる形をとることができる。^{[注 2] [17] : 419–422}

この一般的なケースでは、一部の著者^[18]は「電圧」という言葉を電位差ではなく電場の線積分を指すために使用しています。この場合、からまでの経路に沿った電圧上昇は次のように表されます。 ${\displaystyle {\mathcal {P}}}$${\displaystyle \mathbf {r} _{A}}$${\displaystyle \mathbf {r} _{B}}$

${\displaystyle \Delta V_{AB}=-\int _{\mathcal {P}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}}$

ただし、この場合、2 点間の「電圧」は、取られる経路によって異なります。

回路解析や電気工学では、集中要素モデルを使用して回路を表現し、解析します。これらの要素は、物理的なコンポーネントをモデル化するために使用される理想化された自己完結型の回路要素です。^[19]

集中要素モデルを使用する場合、回路によって生成される変化する磁場の影響が各要素に適切に封じ込められると仮定されます。^[19]これらの仮定の下では、各コンポーネントの外部領域の電界は保存的であり、回路内のノード間の電圧は明確に定義されています。^[19]

${\displaystyle \Delta V_{AB}=-\int _{\mathbf {r} _{A}}^{\mathbf {r} _{B}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}}$

積分の経路がどの部品の内部も通らない限り、この式は静電気学で使用されるのと同じ式です。この積分は、積分の経路がテストリード線に沿っているため、電圧計が実際に測定する値となります。^{[20] [注 3]}

回路全体にわたる非封じ込め磁場が無視できない場合、相互インダクタンス要素を追加することでその影響をモデル化できます。ただし、物理的なインダクタの場合は、理想的な集中表現が正確であることが多いです。これは、インダクタの外部磁場が一般に無視できるためです。特にインダクタが閉じた磁気経路を持っている場合はそうです。外部磁場が無視できる場合、次の式が成り立ちます。

${\displaystyle \Delta V_{AB}=-\int _{\mathrm {exterior} }\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=L{\frac {dI}{dt}}}$

経路に依存せず、インダクタの端子間には明確な電圧が発生します。^[21]これが、インダクタの両端の電圧計による測定がテストリードの配置にあまり依存しない理由です。

ボルト（記号：V）は、電位、電圧、起電力の単位です。^{[22] [23]}ボルトは、おそらく最初の化学電池であるボルタ電池を発明したイタリアの物理学者アレッサンドロ・ボルタ （1745-1827）にちなんで名付けられました。

電気回路の簡単な例えは、機械式ポンプによって駆動される閉回路の配管内を流れる水です。 [^要出典]これは「水回路」と呼ぶことができます。2 点間の電位差は、 2 点間の圧力差に対応します。ポンプが 2 点間に圧力差を生み出すと、1 点から他の点に流れる水は、タービンを駆動するなどの仕事をすることができます。同様に、バッテリーによって提供される電位差によって駆動される電流によって仕事をすることができます。たとえば、十分に充電された自動車のバッテリーによって提供される電圧は、自動車のスターター モーターの巻線に大きな電流を「押し出す」ことができます。ポンプが作動していないと、圧力差は生成されず、タービンは回転しません。同様に、自動車のバッテリーが非常に弱いか「切れている」(または「空になっている」) と、スターター モーターは回転しません。

水力学のアナロジーは、多くの電気概念を理解する上で役立ちます。このようなシステムでは、水を動かすために行われる仕事は、「圧力降下」（pd と比較）に移動する水の量を掛けたものに等しくなります。同様に、電気回路では、電子またはその他の電荷キャリアを動かすために行われる仕事は、「電気圧力差」に移動する電荷の量を掛けたものに等しくなります。「流れ」に関しては、2 点間の「圧力差」（電位差または水圧差）が大きいほど、その間の流れ（電流または水の流れ）が大きくなります。（「電力」を参照。）

電圧測定を指定するには、電圧を測定するポイントを明示的または暗黙的に指定する必要があります。電圧計を使用して電圧を測定する場合、電圧計の 1 本の電気リード線を最初のポイントに接続し、もう 1 本を 2 番目のポイントに接続する必要があります。

「電圧」という用語は、電気機器 (抵抗器など) で降下する電圧を説明するときによく使用されます。機器の電圧降下は、共通の基準点 (または接地)に対する機器の各端子の測定値の差として理解できます。電圧降下は、2 つの測定値の差です。電気回路内の 2 点が抵抗のない理想的な導体で接続され、変化する磁場内にない場合、電圧はゼロになります。同じ電位を持つ任意の 2 点を導体で接続しても、その間に電流は流れません。

AとC の間の電圧は、 AとB の間の電圧とBとC の間の電圧の合計です。回路内のさまざまな電圧は、キルヒホッフの回路法則を使用して計算できます。

交流(AC)について言えば、瞬間電圧と平均電圧には違いがあります。瞬間電圧は直流(DC) と AC で加算できますが、平均電圧は、すべて同じ周波数と位相を持つ信号に適用する場合にのみ意味のある加算が可能です。

電圧を測定するための機器には、電圧計、ポテンショメータ、オシロスコープなどがあります。可動コイル型などのアナログ電圧計は、固定抵抗器を流れる電流を測定することで機能します。この電流は、オームの法則に従って、抵抗器にかかる電圧に比例します。ポテンショメータは、ブリッジ回路で未知の電圧と既知の電圧をバランスさせることで機能します。陰極線オシロスコープは、電圧を増幅し、それを使用して電子ビームを直線経路から偏向させ、ビームの偏向が電圧に比例するように機能します。

懐中電灯の電池の一般的な電圧は 1.5 ボルト (DC) です。自動車の電池の一般的な電圧は 12 ボルト (DC) です。

電力会社が消費者に供給する一般的な電圧は、110 ～ 120 ボルト (AC) と 220 ～ 240 ボルト (AC) です。発電所から電気を配電するために使用される送電線の電圧は、消費者の電圧の数百倍になることもあり、通常は 110 ～ 1200 kV (AC) です。

鉄道機関車に電力を供給するための架空線で使用される電圧は、12 kV ～ 50 kV (AC) または 0.75 kV ～ 3 kV (DC) です。

導電性材料の内部では、電子のエネルギーは平均電位だけでなく、その電子が置かれている特定の熱および原子環境によっても影響を受ける。2つの異なる種類の金属の間に電圧計を接続すると、静電電位差ではなく、熱力学の影響を受ける別の何かが測定される。^[24] 電圧計で測定される量は、電子の電気化学的電位差（フェルミ準位）を電子電荷で割った値の負数であり、一般に電圧差と呼ばれる。一方、調整されていない純粋な静電電位（電圧計では測定できない）は、ガルバニ電位と呼ばれることもある。「電圧」と「電位」という用語は、実際には異なる文脈でこれらのいずれかを指す可能性があるという点で曖昧である。

起電力という用語は、1798年にジョヴァンニ・アルディーニに宛てた手紙の中でボルタによって初めて使用され、1801年に出版された論文Annales de chimie et de physiqueで初めて登場しました。^{[25] : 408}ボルタは、これによって静電気力 ではない力、具体的には電気化学的な力を意味していました。^{[25] : 405}この用語は、1820年代に電磁誘導に関連してマイケル・ファラデー によって取り上げられました。しかし、この時点では電圧の明確な定義とその測定方法は開発されていませんでした。 ^{[26] : 554}ボルタは起電力 (emf) と張力(電位差) を区別しました。電気化学セルが開回路のときに端子で観測される電位差は、セルの起電力と正確にバランスしていなければならず、そうしないと電流は流れません。^{[25] : 405}

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• 電圧 V、電流 I、抵抗率 R、インピーダンス Z、ワット数 P