電圧と電流と電力
Jan 27, 2002.
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電圧と電流と電力
Jan 27, 2002.
電圧とは電気の流れる勢いのこと、電流とは流れる電気の量のことです。水道を使って回す水車に例えたカワイモデルのカタログの秀逸な解説をご記憶の方もいらっしゃるかと思います。まさにあの通りです。序でに書くと電圧と電流の単純な積(＝両者を単純に掛け合わせた結果)が電力です。恐らくは、流体力学とかの素養のある方が素人向けに考えた説明ではないかと思われます。
- 電圧の単位のV(ボルト)はイタリアの物理学者、アレッサンドロ・ヴォルタ伯爵(Il Conte Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta、1745～1827)の名前に由来します。
- 電流の単位のA(アンペア)はフランスの物理学者、アンドレ＝マリィ・アンペール(Andre-Marie Ampere、1775～1836)に由来します。
- 電力の単位のW(ワット)はイギリスの物理学者、ジェームズ・ワット(James Watt、1736～1819)に由来します。
実際に電圧を上げてゆくと、電球が明るさを増したり、モーターが早く回るようになります。こうやって書けば至極簡単な話ですが、モーターを早く廻すだけが車輛の速度を速くする方法ではなくて、車輛のギヤ比を変えてやれば同じモーター・同じ電圧であっても車輛の速度が変わります。実際に運転途中に自動車の変速機のようなモノを操作して模型の車輛の速度を変化させる事は実質的に無理なので、便宜的に電圧を変化させることで車輛の速度を変化させているわけです。これは実物の電車や電気機関車などでも同様です。
電流が増えると、別に電球が明るくなったりするわけではありませんが、一定の抵抗値を持つ負荷にある電圧を掛けるとオームの法則によって一義的に電流値が求められます。電圧は機器を使う使用者側が意図的に変化させますが、電流の方はそれに伴って自動的に変化するのだ、、、とでも考えておけば宜しいでしょう。
実際には容量の小さい電源だったりすると、本来は10A流れるべきところが5A止まりになってしまうような現象が起きます。5Aしか流せない電源は逆立ちしても5Aしか流せませんから、それよりももっと電圧を流すような使い方をすると電圧降下が発生する、保護回路が動作する、電流が流れすぎて煙を噴く、と言った現象が起きます。12V・5Aの電源で1A流れていれば12V掛けられる事は当然です。5A流していても12Vは掛けられるでしょう。これが6A、7A、8A、と出力電流が増えて行けば、12V・5Aの電源では電圧は恐らく下がって行くはずです。
例えば、消費電流が4Aの列車を5Aのパワーパックで運転している分には、快適に運転できるはずです。全速力で走らそうとして12V掛ければ列車はびゅんびゅん走るでしょう。同じパワーパックを使って同じく消費電流が4Aの列車をもう一本走らそうとすると、、、多分思い通りには走りません。4Aの列車が2本ですから合計で8A必要なのに対し、件のパワーパックは5Aですから差し引き3A不足しています。それではどうなるかと言うと上述のように、「電圧が下がる」「保護回路が動作する」「電流が流れすぎて過熱して煙を噴く」と言った現象が発生するわけです。
蛇足
Feb 1, 2024.
- アンドレ＝マリィ・アンペールさんの件、「“アンドレ”がファーストネーム、“マリィ”がミドルネーム」ではなくて「アンドレ＝マリィ」がファーストネームです。
- 因みに回路の研究を机上で行う場合は、「電流が無限大に流せる」と言う前提の電源を想定します。その上で「回路の電圧降下の解決方法は云々」とかやる訳です。電圧降下に関して言えば、その原因が「予算が無くて小さい電源しか買えませんでした」と言うのでは、研究にも何にもならないですから。
耐電圧、耐電流はどうやって決まる？
Jan 27, 2002.
耐電圧は主に電線に使用される絶縁材の種類によって決まります。当然乍ら100V用の電線のほかに101V用や102V用を売っている、、、と言うことは無くて、耐電圧の種類は段階的です。普通には100V用、125V用、300V用，600V用などがあり、それ以外にはインターホンや玄関の呼び鈴などに用途が限定された32V程度までの電線も販売されています。普通に鉄道模型の配線に使うには、精々300V用以下の耐圧の電線を使えば十分で、実際にこの種のものがホームセンターなどでも一番入手しやすいはずです。普通に売られているVSF電線などと言うモノもこの範疇に入ります。
「耐圧32Vのインターホン用の電線の方が鉄道模型向きじゃないのか？」と言い出す人がたまにいますが、アレは使わない方が宜しいです。理由は一にも二にも、細過ぎて機械的な強度が無さ過ぎるからです。鉄道模型をやる人は超ウルトラドケチなのか、節約のみを美徳とした大東亜戦争の時代に生きてきた人だけだからなのか殊更に電線を細くしたがりますが、あんな異様な規格の電線は使わない方が宜しいです。普通に300V用でも125V用でも、十分な太さを持つ電線を使った方が宜しいでしょう。
耐電流は主に導線の太さによって決まります。こちらも種類は段階的です。更に耐電流を表示せずに電線の導体断面積だけを表示している場合が殆どで、導体直径を表示する事はありません。導体直径よりも、導体断面積を優先するのは「単線とより線が混在するから」だと思われます。普通には0.5mm2、0.75mm2、1.25mm2、2.0mm2、5.5mm2などの種類があります。それぞれの単位は平方ミリメートル(＝スクェア・ミリメートル)ですから慣用的に「スケア」となまって発音されることもあります。従って断面積が5.5mm2のケーブルの断面積は「ごーてんご・へいほう・みりめーとる」とも「ごーてんご・すけあ」とも呼びます。現場ではもっと大胆に省略しますから「ごーてんご・すけ」とも呼びます。
昇圧するとどんな利点があるのか？
June 1, 2017.
電力とは電圧と電流の単純な積であることは既述の通りですから「電圧100Vで電流1Aならば100W」と言う計算はすぐにできます。100×1＝100です。よくありがちな白熱電球1個分程度が消費する電力ですね。それでは、同じ100Wでも「電圧が1Vで電流が100A」の場合はどうなるかと言うと、これまた100Wです。
例えば実物の電車を考えた場合、同じような車輛に同じようなモーターを取り付ければ、同じような動力性能が得られます。例えば、阪和電鉄のモヨ100と南海のモハ2001を比べれば、同時に天王寺・難波を発車すれば、似たような時間に和歌山・和歌山市に到着できます。これはまぁ、後から路線を新設した阪和電鉄の方が有利だとか言う話を抜きにすれば容易に結果が想像出来る話です。
それでもこの当時の阪和電鉄は1500Vで電化されており、南海は600Vで電化されていますから、決定的に南海の方が不利な戦いです。同じ出力を得るためには、南海は阪和電鉄の2.5倍もの電流を架線に流さなければならないからです(1500V÷600V＝2.5倍)。簡単に言ってしまえば、1500Vの電車がパンタグラフ1基だとすれば、600Vの電車を同じように走らせるならばパンタグラフは2.5基必要になると言うことです。「2.5基」なんて言うのは机上の空論的数字ですから、なんらかの形でパンタグラフの集電量は増やさなければなりません。パンタグラフ自体を改良するか、付随車からも集電するか、余程画期的な方法で車輛を軽量化して消費電力は減らすか。実際には動力車を増やして解決するのだと思いますけど。
如何ですか？、電圧は高くした方が流す電流は少なくて済みますから細い電線で済ますことが出来ますが、絶縁は強化しなければなりません。それでは交流電化の区間のように20000Vとか25000Vとかにしてしまえば更に効率は良いか、もっと電圧を上げて100万Vとかにしてしまえばもっと効率が良いかと言うと、必ずしもそうではありません。既存の車輛と併用が出来ないし、自社だけが高い電圧にした処で「そんな電圧の部品は作ってませんねぇ」と部品屋さんに愛想をつかされるのが関の山です。電圧と電流の兼ね合いには、実用範囲内での「妥当な範囲」が存在するわけです。
交流電化の路線が架線電圧が高くなっているのは、直流とは違って交流であればトランスさえ使えば電圧はある程度自由に変えることができるので、無理のない範囲で電圧は高くしておいた方が電流を少なくすることが出来るので好都合だからです。直流の場合は、電圧を下げることは比較的容易ですが電圧を上げることはかなり困難です。なによりも1950年代になって新規にローカル線を電化する際に既存の路線との互換性には目を瞑る前提で交流電化したからこそ交流20000Vで電化することが出来たのだとも言えます。交流で1500Vと言う電化方法だって、ローカル線なんだから交流600Vにしてしまってもダメと言うことはなかったわけですが、此処で20000Vを選んだのは先見の明があったと言うことです。
以上はまぁ、単純な理屈です。例えば最近普及しつつある200Vの家電製品を使えば、普通の100Vの家電製品に比べて同じ電力ならば電圧が2倍になれば電流は1/2しか流れないで済むのですから、随分と大きな違いです。これが更に、遠距離の発電所から需要地まで電力を送ってくる高圧送電線では、非常に大雑把な表現をすれば電圧を上げれば上げるほど有利になる、とも言えます。だから、山奥の発電所から需要地の変電所まで送電して来る高圧線には50万ボルトとかの高圧線で送電して来ます。その一方で、市街地にやたらに超特別ウルトラスーパー高圧の電線があったのでは危険なので、普通には6600V程度で配電して、更に家庭内には100Vとか200Vとかに降圧して配電している訳です。