⚡️電気の基礎から応用まで：知っておきたい知識まとめ

電気は私たちの生活に欠かせないエネルギー源です。ここでは、電気回路の基本から、制御技術、測定器具まで、幅広く知識をまとめてご紹介します。

電気回路の基本

電気回路は、電気が流れる通り道のことです。電源（電池や発電機など）から出た電気が、電線や抵抗器、コンデンサなどの部品を通って、再び電源に戻ってくるループ状の構造を指します。回路が閉じている（繋がっている）ときに電流が流れ、開いている（切れている）ときには流れません。

主な回路の種類には、直列回路と並列回路があります。

• 直列回路: 部品が一本道のように電流に対して直列に繋がれている回路。回路のどこか一箇所が切れると、全体に電流が流れなくなります。
• 並列回路: 部品が複数に枝分かれして繋がれている回路。一部が切れても、他の経路を通じて電流が流れます。

オームの法則

電気の基本中の基本となる法則です。ドイツの物理学者ゲオルク・オームによって見出されました。$$\text{電圧}(\mathbf{V}) = \text{電流}(\mathbf{I}) \times \text{抵抗}(\mathbf{R})$$

• 電圧 (V): 電気を流そうとする力（単位: ボルト [V]）
• 電流 (I): 実際に流れる電気の量や勢い（単位: アンペア [A]）
• 抵抗 (R): 電流の流れを妨げる度合い（単位: オーム [$\Omega$]）

この法則により、回路内の電圧、電流、抵抗のいずれか2つがわかれば、残りの1つを計算で求めることができます。

電気の種類

電気には大きく分けて二つの種類があります。

1. 直流 (DC: Direct Current)
   • 電流の流れる方向と大きさが常に一定です。
   • 乾電池やバッテリーなど、化学反応を利用する電源がこれにあたります。
   • 電子機器（スマートフォン、パソコンなど）の内部で使われています。
2. 交流 (AC: Alternating Current)
   • 電流の流れる方向と大きさが周期的に変化します。
   • 家庭や工場に送られている商用電源（コンセントの電気）がこれにあたります。
   • 長距離送電に適しており、変圧器で容易に電圧を変えることができます。

交流の種類

交流は、電圧や電流の変化の仕方によって種類が分けられます。

• 単相交流:
  • 電圧の波形が一組（位相が一つ）で構成される交流です。
  • 一般家庭のコンセントなどで使われています。
• 三相交流:
  • 位相を $120^\circ$ ずつずらした三組の電圧波形（計三線）で構成される交流です。
  • 電圧が常に一定で、大きな電力を効率よく送れるため、主に工場やビルなどの動力源として利用されます。

接地（アース）

接地（せっち）、一般にアースと呼ばれます。電気機器の金属製の外枠などを、電気的に大地（地面）に繋ぐことです。

• 目的:
  1. 感電防止: 漏電が発生した際、人体に電気が流れる代わりに接地線を通じて大地に電気を逃がし、感電を防ぎます。
  2. 機器の保護: 異常な電圧（雷サージなど）が発生した場合に、機器を保護します。

電気関係測定器具

電気回路の状態を知るために使われる重要な器具です。

電気制御回路

電気制御回路は、電気の力を使って機械や設備を自動的に動かしたり、動作を管理したりするための回路です。

1. シーケンス制御:
   • あらかじめ定められた順序や条件に従って、機器をON/OFFする制御です。
   • 信号の入力（センサーなど）に応じて、出力（モーター、ランプなど）を制御します。
   • 以前はリレー（電磁継電器）を組み合わせて実現されていましたが、現在はPLC（プログラマブルロジックコントローラ）が主流です。
2. フィードバック制御（クローズドループ制御）:
   • 制御対象の状態（温度、速度など）をセンサーで測定し、その結果を目標値と比較して、誤差をなくすように出力を調整する制御です。
   • エアコンの温度制御などが典型的な例です。

動力制御機器

大きな電力を扱うモーターなどの動力を制御するために使われる機器です。

• 電磁接触器（マグネットコンタクタ）:
  • 電磁石の力で回路の開閉を行うスイッチで、モーターなどの大きな電流が流れる回路のON/OFFに使われます。
  • 制御回路（低電圧）で、動力回路（高電圧・大電流）を間接的に操作できます。
• サーマルリレー（熱動継電器）:
  • モーターが過負荷（規定以上の電流が流れる）になった際に、熱によって動作し、動力回路を遮断してモーターを焼損から守る保護装置です。
• インバータ:
  • 交流の周波数を変えることで、モーターの回転速度を自由に制御するための装置です。
  • 省エネルギー化に大きく貢献します。

センサー・スイッチのいろいろ

電気制御回路の「目」や「手」となる重要な部品群です。