電気はどのように機能するのでしょうか? 人生を変える物理学の謎を解き明かしましょう。

初心者にとって、電気は一種の隠された魔法のように思えるかもしれません。電気は、必ずしも私たちの目で知覚できない物理法則に従って動いています。

しかし、私たちの生活のほとんどは電気で成り立っています。停電を経験したことがある人なら、それがどれほど不便であるかを知っています。より広い視点で見ると、現代社会の機能を動かすために電気の流れがいかに重要であるかを過小評価することはできません。

「電気が止まれば、通信も止まる。金融部門も止まる。水処理も止まる。牛の乳搾りもできない。食品を冷蔵保存もできない」とイリノイ州アルゴンヌ国立研究所の電力網研究者マーク・ペトリ氏は言う。

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そのため、電気がどのように機能し、どこから来て、どのように私たちの家に届くのかを知ることは、さらに重要になります。

電気はどのように機能するのでしょうか?

私たちが知っている宇宙は、4 つの基本的な力によって支配されています。強い核力 (原子内部の亜原子粒子をまとめる力)、弱い核力 (ある種の放射能を誘導する力)、重力、電磁気力 (電気と磁気の本質的に結びついた概念を支配する力) です。

電磁気学の重要な教義の 1 つは、宇宙を構成する素粒子は正電荷または負電荷を持つことができるというものです。それらをエネルギーの形として使用するには、電流として流す必要があります。地球上の電気は、主に負電荷を帯びた電子の動きによって生じます。

しかし、電子の流れを維持するには、電荷だけでは不十分です。電子粒子は、近くの原子などの障害物にぶつかるまで、遠くまで移動しません。つまり、電気には、電流を流し続けるために叩き落とせる、自由電子を持つ原子を持つ物質が必要です。このタイプの物質は導体として知られています。多くの電線を形成する銅など、ほとんどの金属は導電性があります。

絶縁体と呼ばれる他の材料は、はるかに強く結合した電子を持っており、簡単には動かされません。ほとんどの電線を覆っているプラ​​スチックは絶縁体であり、コードやプラグに触れても不快なショックを受けないのはそのためです。

科学者やエンジニアの中には、電気をパイプを流れる水のようなものと考える人もいます。ある時間にパイプを通過する水の量は、特定の電線を流れる電子の数に相当し、科学者はこれをアンペアで測定します。液体を押し通すのに役立つ水圧は、電圧のようなものです。アンペアとボルトを掛け合わせると、毎秒電線を通過する電力、つまりエネルギー量が計算されます。電気技師はこれをワットで測定します。つまり、電子レンジのワット数は、1 秒あたりに消費する電気エネルギーの量とほぼ同じです。

電子が電線を通じて電圧を運ぶ仕組み

電磁気の法則によれば、電線が磁場に巻き込まれ、その磁場が変化すると、電線に電流が発生します。これが、世界の電気のほとんどが、一般的には回転する磁気装置である発電機から生み出されている理由です。発電機が回転すると、その周囲に巻かれた電線に電気が流れます。

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都市全体に電力を供給するには、巨大な発電機が必要で、建物ほどの大きさになることもあります。しかし、その発電機から電力を生み出すにはエネルギーが必要です。ほとんどの化石燃料および原子力発電所では、燃料源が水を沸騰させて蒸気にし、タービンがそれぞれの発電機を回転させます。水力および風力発電機は、自然自身の動きを利用して、水または突風の方向を変えて回転させます。一方、ソーラーパネルは、可動磁石をまったく必要としないため、動作が異なります。光が太陽電池に当たると、材料の原子内の電子が励起され、電流となって流れ出します。

エネルギーの伝送は、ボルト数が多くアンペア数が少ない方が簡単です。そのため、長距離送電線は発電所から電気を運ぶのに数千ボルトを使用します。これはほとんどの建物にとって高すぎるため、電力網は変電所を利用して通常のコンセントや家庭用電化製品用の電圧を下げています。北米の建物の電圧は通常 120 ボルトに設定されていますが、世界のその他のほとんどの地域では 220 ～ 240 ボルトが使用されています。

電流も一方向に流れるのではなく、常に方向が入れ替わります。これを技術者は交流電流と呼んでいます。これにより、数千マイルの距離を移動できます。北米の電線は、1 秒間に 60 回、電流の方向を一方から他方に切り替えます。地球の他の地域、特にヨーロッパやアフリカでは、1 秒間に 50 回、方向が入れ替わります。

これにより、建物のブレーカー ボックスに電流が送られます。しかし、その電力は実際にはどのようにして電子機器に届くのでしょうか?

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電気が途切れることなく流れるようにするには、完全な回路が必要です。建物の配線はどこも不完全です。2 穴のソケットには、1 本の「通電」線と 1 本の「中性」線があります。ランプ、キッチン家電、または電話の充電器を差し込むと、回路が完成し、通電線からデバイスを通り、中性線を経由して再び電気が流れ、エネルギーが供給されます。

言い換えれば、通電中のソケットに指を差し込むと、一時的に身体で回路が完成することになります（多少痛みを伴います）。

電気の未来

つい最近まで、電気はまだ贅沢品でした。1990 年代後半には、世界人口のほぼ 3 分の 1 が電気のない家に住んでいました。それ以来、その割合は半分以下に減りましたが、主にサハラ以南のアフリカに集中している 10 億人近くが、いまだに電気のない生活を送っています。

歴史的に、ほぼすべての電気は大規模な発電所で始まり、家庭や企業で終わっていました。しかし、再生可能エネルギーへの移行により、そのプロセスは変化しています。平均すると、太陽光発電所や風力発電所は巨大な石炭火力発電所やダムよりも小規模です。雨の日や穏やかな日には、巨大なバッテリーが蓄電電力でバックアップできます。

「私たちがこれまで目にしてきたもの、そして将来的に目にすると予想されるものは、グリッドの大きな進化です」とペトリ氏は言う。

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私たちが電気を中心に構築するインフラは、地球と人々の健康の両方に変化をもたらします。2020 年、世界の電力のうち、 _CO2を排出する化石燃料ではなく、原子力や水力などのクリーンなエネルギー源から供給された電力はわずか 39% でした。

幸いなことに、楽観できる理由はたくさんあります。ある報告によると、太陽光発電は現在、人類史上最も安価なエネルギー源であり、風力発電もそれに劣りません。さらに、屋上にソーラーパネル、ソーラー発電機、ヒートポンプなどを設置する電力会社ユーザーが増えています。「人々の家は、単に電力網から電力を得ているだけではありません」とペトリ氏は言います。「電力網に電力を戻しているのです。これははるかに複雑なシステムです。」

電気の法則は、どこから電流を引き出すかによって変わるものではありません。しかし、その電力をどのように使うかという私たちの決定の結果は重要です。