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オームの法則

オームの法則それは電気の世界で絶大なる力を発揮する法則・・・

V=IR

このときVは電圧を,Iは電流を,Rは抵抗を示す.
電気の世界ではIが電流を示し,jが虚数を表すので,数学系の人は注意! この法則は有りとあらゆるところで活用できます.まあ中学で出てくる公式なので特に問題は無いと思いますが・・


インピーダンス


インピーダンス・・それは一度は電気を学ぶ人が陥る罠・・・
これを学ぶにはます複素数から・・・なんて言っていると面倒ですね.(^^;
そうは言っていてもまあしょうがないので,式を下記に示します(笑)

・ ・・
E=ZI

インピーダンスZとは抵抗だけの回路の時はその値が抵抗そのものに等しいが,インダクタンス(L)や容量(C)が入ると虚数部が入り複素平面上における1つのベクトルで表されることになります.
インピーダンスZは回路によりその値はことなりますが(当たり前!),回路が決まればそれに対して一定の値になってきます.このとき周波数は一定と考えますが,周波数が異なればインピーダンスZは回路が同じでも異なる値となります. ちなみに上についている点・はE,I,Zが複素表記であることをしめします.


抵抗よりなる回路
   i ->        e = R i
 +-----+
 |     |       ・E = R ・I = E exp(jψ)
(e)   |R|
 |     |                 E
 +-----+       ∴ ・I = ----- exp(jψ)
                         R

     j                    抵抗は e と i が同相であるので
     |
     |                         E
     |                    I = ---
     +----->--- R              R
     |-----|
        R

抵抗及び自己インダクタンスよりなる回路
インダクタンスに生じる逆起電力(抵抗の内部に電流に逆らう方向に生ずると考えた起電力)は L (di / dt) に等しいと考える.
このとき電流 ・I に対するその逆起電力は L (d・I / dt) = jw L ・I である.
  ・I ->        ∴ ・E = R ・I + jw L ・I = ( R + jw L) ・I
 +-----+             ______________
 |     |       Z = √ R^2 + (wL)^2
 |    |R|
(・E)   |       tanθ =  (wL) / R
 |    |L|
 |     |
 +-----+       ∴ ・Z = Z exp(-jθ) = R + jwL

    j       ・Z
     |    \
     | Z  /|
     |  /  | wL
   \|/θ  |
     +---------
     |------|
        R

抵抗及び静電容量よりなる回路
静電容量に生じる逆起電力は 1/C ∫i dt
電流 ・I で示すと 1/C ∫i dt = ・I / (jw C)
                                               1
  ・I ->        ∴ ・E = R ・I - ・I / (jw C) = ( R - j---- ) ・I
 +-----+                                           w C
 |     |             __________________
 |    |R|      Z = √ R^2 - {1/(wC)}^2
(・E)   |
 |    |C|      tanθ =  1 / ( wC R)
 |     |
 +-----+
                                           1
               ∴ ・Z = Z exp(-jθ) = R - j---
                                           wC
         R
     |------|
     +---------
   /|\θ  |  1
     |  \  | ---
     | Z  \|  wC
     |    /
     |      ・Z
  -j
抵抗,自己インダクタンス及び静電容量よりなる回路
  ・I ->        ∴ ・E = R ・I + jwL ・I - ・I / (jw C)
 +-----+
 |     |
 |    |R|            = { R + j( wL - 1/wC ) } ・I
(・E)  |L|
 |    |C|
 |     |
 +-----+

    j        _______
     |      |  |   |             _____________________
     |      | 1/wC |   ∴ ・Z = √ R^2 + (wL - 1/wC)^2
     |   ・Z |__|   |
     |    /|     wL
     |  /  |      |
     |/θ  |      |
     +--------------
     |------|
        R

キルヒホッフの法則

第一法則
回路網中のある任意の点における電流の総和は0である

Σ・I = ・I1 + ・I2 + ・I2 + ・・・・ = 0

      ・I1       ・I2
        \      /
          \  /
            ・  <--- 0
            |
            |
            ・I3

第二法則
回路網中におけるある閉路の各辺のインピーダンスと電流の総和は各辺の電圧の総和に等しい.

Σ・Z ・I = Σ・E

               |
              /\
     ・I1  (・Z1) (・Z2) ・I2
        (・E1)    (・E2)
    ____/           \____
        \           /
        (・E4)     (・E3)
    ・I4   (・Z4) (・Z3) ・I3
             \/
              |

電力について

電力は以下のように考える.
          W
   +------------+
    \ θ       |
      \        | VAR
        \      |
      VA  \    |
            \  |
              \|
有効電力(active power)または基準電力
VA皮相電力(apparent power)
VAR無効電力(reactive power)
cosθ力率(power factor)

起電力から回路に電力を供給する場合,起電力電流間の位相差は負荷回路の位相角で決まる.つまり抵抗からなる回路は位相角が0であるため,cosθは100%,つまり電流と起電力との実効値がそのまま有効電力になり,無効電力は0である.
逆にリアクタンス成分などが多い負荷回路は位相角が大きくなり,無効電力が大きくなるため,皮相電力にくらべ有効電力が少ないということになる.


熱について

熱量の計算はジュールの法則を変形して用いる.
熱の仕事量は 4.2 [J/cal] であり,その逆数を用いれば cal が算出される.よって,

Q(cal) = 0.24 × I(A) × E(V) × t(sec)

となる.

例えば,100[V], 10[A] の負荷電流が流れる機器があり,これを 5 秒間使用したときどのくらいの熱量になるかという問題に対しては

0.24 × 10[A] × 100[V] × 5[sec] = 1200 (cal)

となる.
なお,現在の SI 単位系では cal ではなく J を使うのが正しい.


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