電圧

前述の標準定義を含め、電圧を定義するための複数の便利な方法があります。料金あたりの作業のその他の有用な定義もあります（このセクションを参照）。

電圧は、負に帯電した物体がより高い電圧に向かって引っ張られ、正に帯電した物体がより低い電圧に向かって引っ張られるように定義されます。したがって、ワイヤまたは抵抗器の従来の電流は、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」などの用語を使用して参照されてきました。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）ベースの電子機器で一般的に使用されている「高張力」（HT）という句の中で使用されています。

電界のポテンシャルとしての定義

ポイントからの電圧上昇 ${\ displaystyle x_ {A}}$ ある時点まで ${\ displaystyle x_ {B}}$ によって与えられます

${\ displaystyle {\ begin {aligned} \ Delta V_ {AB}＆= V（x_ {B}）-V（x_ {A}）\\＆=-\ int _ {r_ {0}} ^ {x_ { B}} {\ vec {E}} \ cdot d {\ vec {l}}-\ left（-\ int _ {r_ {0}} ^ {x_ {A}} {\ vec {E}} \ cdot d {\ vec {l}} \ right）\\＆=-\ int _ {x_ {A}} ^ {x_ {B}} {\ vec {E}} \ cdot d {\ vec {l}} \ end {aligned}}}$

ロッドの周りに電界が中に、帯電した髄ボールに力を加える 電器

この場合、点Aから点Bへの電圧の増加は、加速を引き起こさずに電荷をAからBに移動するために、電界に対して単位電荷あたりに行われる仕事に等しくなります。数学的には、これはその経路に沿った電界の線積分として表されます。この定義では、時変磁場がある場合、電気力は保存力ではないため、2点間の電圧差は一意に定義されません。

静的フィールドでは、作業はパスに依存しません

この電圧の定義を使用すると、インダクタを含む回路など、時間とともに変化する磁場が存在する回路^[注1]は、回路内のノード間に明確に定義された電圧を持ちません。ただし、磁場が各コンポーネントに適切に含まれている場合、電界はコンポーネントの外部の領域^[注2]で保存的であり、電圧はその領域で明確に定義されます。^[6]この場合、外部から見たインダクタ両端の電圧は次のようになります。

${\ displaystyle U = \ Delta V = -L {\ frac {dI} {dt}}}$

内部的には、コイルの電界はゼロであるという事実にもかかわらず^[6]（完全導体であると仮定）。

電界の分解による定義

上記の定義を使用すると、磁場が時間とともに変化するときはいつでも電位は定義されません。物理学では、電界の保守的な部分のみを考慮して電位を一般化すると便利な場合があります。これは、電気力学で使用される次の分解によって行われます。

${\ displaystyle {\ vec {E}} =-\ nabla V-{\ frac {\ partial {\ vec {A}}} {\ partial t}}}$

どこ ${\ displaystyle {\ vec {A}}}$は磁気ベクトルポテンシャルです。上記の分解は、ヘルムホルツの定理によって正当化されます。

この場合、電圧は ${\ displaystyle x_ {A}}$ に ${\ displaystyle x_ {B}}$ によって与えられます

${\ displaystyle {\ begin {aligned} \ Delta V_ {AB}＆=-\ int _ {x_ {A}} ^ {x_ {B}} {\ vec {E}} _ {\ mathrm {conservative}} \ cdot d {\ vec {l}} \\＆=-\ int _ {x_ {A}} ^ {x_ {B}} \ left（{\ vec {E}} + {\ frac {\ partial {\ vec {A}}} {\ partial t}} \ right）\ cdot d {\ vec {l}} \\＆=-\ int _ {x_ {A}} ^ {x_ {B}}（{\ vec { E}}-{\ vec {E}} _ {\ mathrm {duced}}）\ cdot d {\ vec {l}} \ end {aligned}}}$

どこ ${\ displaystyle {\ vec {E}} _ {\ mathrm {duced}}}$は、時間とともに変化する磁場による回転電場です。この場合、ポイント間の電圧は常に一意に定義されます。

回路理論における扱い

回路解析及び電気工学、インダクタの両端の電圧がゼロであると見なされていないか、または標準的な定義が示唆として、未定義。これは、電気技師が集中定数モデルを使用して回路を表現および分析するためです。

集中定数モデルを使用する場合、回路の周囲の領域に磁場がなく、これらの影響が「集中定数」に含まれていると想定されます。これは、物理コンポーネントのモデル化に使用される理想化された自己完結型の回路要素です。 。^[7]無視できるほどの漏れフィールドの仮定が不正確すぎる場合、それらの影響は寄生成分によってモデル化できます。

ただし、物理インダクタの場合、理想的な集中定数表現は正確であることがよくあります。これは、特にインダクタがトロイドの場合、インダクタの漏れ電界は一般に無視できるためです。リークされたフィールドが無視できる場合、

${\ displaystyle \ int _ {\ mathrm {exterior}} {\ vec {E}} \ cdot d {\ vec {l}} = -L {\ frac {dI} {dt}}}$

はパスに依存せず、インダクタの端子間に明確に定義された電圧があります。^[6]これが、インダクタの両端の電圧計を使用した測定が、テストリードの配置とはかなり無関係であることが多い理由です。

ボルト（記号：V）は、電位、電位差、起電力の導出単位です。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配管の閉回路を流れる水です。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点間に圧力差を生じさせると、一方の点からもう一方の点に流れる水は、タービンの駆動などの仕事をすることができます。同様に、仕事は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行うことができます。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電流を「押し込む」ことができます。ポンプが作動していない場合、圧力差は発生せず、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「デッド」（または「フラット」）の場合、スターターモーターは回転しません。

水流のアナロジーは、多くの電気的概念を理解するための便利な方法です。このようなシステムでは、水を移動するために行われる仕事は、「圧力降下」（pdと比較）に移動した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、電子または他の電荷キャリアを移動するために行われる仕事は、「電気的圧力差」に移動した電荷の量を掛けたものに等しくなります。「流れ」に関して、2点間の「圧力差」（電位差または水圧差）が大きいほど、それらの間の流れ（電流または水流）が大きくなります。（「電力」を参照してください。）

高圧送電線での 作業

電圧測定を指定するには、電圧が測定され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位差を測定する場合、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」という用語の一般的な使用法は、電気デバイス（抵抗器など）の両端で降下する電圧を説明することです。デバイスの両端の電圧降下は、共通の基準点（またはグランド）に対するデバイスの各端子での測定値の差として理解できます。電圧降下は、2つの読み取り値の差です。抵抗がなく、変化する磁場内にない理想的な導体によって接続されている電気回路の2つのポイントの電圧はゼロです。同じ電位の2点は導体で接続でき、それらの間に電流は流れません。

電圧の追加

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。

話をするとき、交流電流（AC）瞬時電圧と平均電圧との差があります。瞬時電圧がために添加することができる直流（DC）と交流が、それらはすべて同じ周波数および位相を持っていることを信号に適用される場合にのみ、平均電圧が有意義に添加することができます。

電圧を測定するためのマルチメータセット

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、およびオシロスコープが含まれます。ムービングコイル計器などのアナログ電圧計は、オームの法則によれば、抵抗器の両端の電圧に比例する固定抵抗器を流れる電流を測定することによって機能します。ポテンショメータは、ブリッジ回路の既知の電圧に対して未知の電圧のバランスをとることによって機能します。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ることによって機能するため、ビームの偏向は電圧に比例します。

懐中電灯バッテリーの一般的な電圧は1.5ボルト（DC）です。自動車用バッテリーの一般的な電圧は12ボルト（DC）です。

電力会社から消費者に供給される一般的な電圧は、110〜120ボルト（AC）および220〜240ボルト（AC）です。中電圧送電発電所からの電力を分配するために使用されるラインは、典型的には110〜1200キロボルト（AC）、消費者電圧より数百倍大きくすることができます。

鉄道機関車に電力を供給するために架空送電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、それが存在する特定の熱および原子環境によっても影響を受けます。電圧計が2つの異なる種類の金属の間に接続されている場合、電子のエネルギーは測定されません。静電電位差ですが、代わりに熱力学の影響を受ける何か他のものです。^[8]電圧計で測定される量は、電子の電気化学ポテンシャルの差（フェルミ準位）を電子の電荷で割ったものの負の値であり、一般に電圧差と呼ばれますが、純粋な未調整の静電ポテンシャル（電圧計）は、ガルバニ電位と呼ばれることもあります。「電圧」と「電位」という用語は、実際には、異なるコンテキストでこれらのいずれかを指すことができるという点であいまいです。

起電力という用語は、1798年にGiovanni Aldiniに宛てた手紙の中でボルタによって最初に使用され、1801年にAnnales de chimie et dephysiqueで発表された論文に最初に登場しました。^[9]：408 Voltaは、これが静電力ではない力、具体的には電気化学的力を意味します。^[9]：405この用語は、1820年代の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、電圧の明確な定義とその測定方法は、現時点では開発されていませんでした。^[10]：554 Voltaは起電力（emf）と張力（電位差）を区別しました。開回路のときに電気化学セルの端子で観測された電位差は、電流が流れないようにセルのemfのバランスを正確にとる必要があります。^[9]：405

• 電圧V、電流I、抵抗率R、インピーダンスZ、ワット数P