電気– 電気の『なぜ？』 –

電圧は二点間の単位電荷あたりのエネルギー差です。電位差と電場の関係、電池が電圧を作る仕組み、起電力、内部抵抗、電圧降下まで、電圧が成り立つ仕組みを解説します。

並列回路では各枝の電圧は同じでも、枝電流や総電流は抵抗値、材料、温度、負荷数、電源内部抵抗、配線条件などで変わります。不変の構造則と条件で変わる数値を分けて解説します。

金属の電気抵抗は、電場で動く伝導電子が格子振動、不純物、結晶欠陥などで散乱されることで生じます。抵抗率、R＝ρL/A、温度依存、残留抵抗、ジュール熱まで、抵抗が成り立つ仕組みを解説します。

発電量や効率は、発電方式だけでなく、発電機の回転速度、風速、日射量、半導体材料、温度、負荷条件などで変わります。回転発電・風力・水力・太陽光を比較して違いを解説します。

静電気は、物体の接触・分離によって電荷が移動し、その偏りが残ることで生じます。摩擦帯電、電荷保存、静電誘導、絶縁体、接地、湿度、放電まで、静電気が成り立つ仕組みを解説します。

電力はP＝VIで決まりますが、抵抗値、材料、温度、直列・並列接続、電源内部抵抗、交流の力率などで電圧や電流が変わるため、同じ回路でも消費電力は変化します。

導体で電荷が動きやすいのは、金属中に移動可能な電子状態があり、電場に応答して伝導電子がドリフトできるからです。バンド構造、自由電子、抵抗、静電誘導まで、導体が成り立つ仕組みを解説します。

電流は、電圧、抵抗、温度、導線の長さ・太さ、材料、光、電源内部抵抗、交流周波数などの条件で変化します。I＝V/RとI＝nqAvdを軸に、なぜ電流が増減するのかを解説します。

絶縁体で電荷が自由に動けないのは、電子が束縛され、伝導に使える電子状態との間に大きなエネルギーギャップがあるためです。バンド構造、分極、漏れ電流、絶縁破壊まで、絶縁体が成り立つ仕組みを解説します。

電圧は、負荷電流、内部抵抗、温度、濃度、充電状態、温度差、静電容量などの条件で変化します。電池・電極・太陽電池・熱電素子・コンデンサを例に、なぜ電圧が変わるのかを解説します。