パイプのシステムを通って下り坂を流れる水を想像してみてください。 あなたの直感は、どのような要因が水の流れを速くし、何が水の流れを遅くするのかを教えてくれるはずです。 丘が高いほど、電流は速くなり、パイプ内の障害物が多いほど、流れは遅くなります。
これはすべて位置エネルギーの違い 丘の頂上と底の間なぜなら、水は丘の頂上に重力ポテンシャルエネルギーを持っており、底に達するまでには重力ポテンシャルエネルギーを持っていないからです。
これは電気の素晴らしい例えです電圧. 同様に、電気回路の2点間に電位差があると、回路のある部分から別の部分に電流が流れます。
水の例のように、2点間の位置エネルギーの差（電荷の分布によって作成される）が電流の流れを作成します。 もちろん、物理学者はこれよりも正確な定義を持っており、オームの法則などの方程式を学ぶことで、電圧をよりよく理解できます。
電圧の定義
電圧は、2点間の電位エネルギー差に付けられた名前であり、単位電荷あたりの電位エネルギーとして定義されます。 でも電位はより正確な用語です。電位のSI単位がボルト（V）であるという事実は、一般に次のように呼ばれることを意味します。 電圧、特に人々がバッテリーの端子または他の部分の間の電位差について話すとき 回路。
定義は数学的に次のように書くことができます。
V = \ frac {E_ {el}} {q}
どこV電位差です、Eエル はポテンシャルエネルギー（ジュール単位）であり、qは電荷です（クーロン単位）。 このことから、1 V = 1 J / Cであることがわかります。つまり、1ボルトはクーロンあたり（つまり、単位電荷あたり）1ジュールとして定義されます。 時々、あなたは見るでしょうE同じ量の別の用語は「起電力」（EMF）であるため、電圧の記号として使用されますが、多くのソースはV用語の日常の使用法に一致するように。
ボルトの名前は、最初の電池（「ボルタ電池」と呼ばれる）を発明したことで最もよく知られているイタリアの物理学者アレッサンドロボルタに由来しています。
電圧の方程式
ただし、上記の式は、電圧に関して最も一般的に使用される式ではありません。 あなたがその用語に出くわすとき、それは電気回路を含みます、そして最も有用な方程式は これはオームの法則. これは、電圧を回路内の電流の流れに関連付け、抵抗を回路のワイヤおよびコンポーネントからの電流の流れに関連付けます。次の形式になります。
V = IR
どこVはボルト（V）単位の電位差です。私は電流の流れであり、アンペアまたは略してアンペアの単位（A）を使用します。 そしてRはオーム（Ω）単位の抵抗です。 一目で、この式は、同じ抵抗に対して、より高い電圧がより高い電流を生成することを示しています（ 導入部の丘）そして同じ電圧の場合、電流の流れはより高い抵抗のために減少します（のパイプへの障害物に類似しています 例）。 電圧差がない場合、電流は流れません。
回路のコンポーネントが異なれば、電圧降下それら全体で、オームの法則を使用してそれらがどうなるかを理解することができます。 ただし、キルヒホッフの電圧法則に沿って、回路内の完全なループ周辺の電圧降下の合計はゼロに等しくなければなりません.
回路の電圧を測定する方法
電気回路の要素の両端の電圧は、電圧計またはマルチメーターで測定できます。マルチメーターには、電圧計だけでなく、電流計（電流を測定するため）などの他のツールも含まれています。 測定対象の要素に電圧計を並列に接続して、2点間の電圧降下を決定します。直列に接続しないでください。
アナログ電圧計は、高オーム抵抗と直列に検流計（小さな電流を測定するためのデバイス）を使用して動作し、検流計には磁場内のワイヤーのコイルが含まれています。 電流がワイヤーを流れるとき、それは既存のものと相互作用する磁場を作成します 磁場を回してコイルを回転させます。これにより、デバイス上のポインタが移動して、 電圧。
コイルの回転は電流に比例し、電流は順番に 電圧に比例して（オームの法則により）、コイルが回転するほど、間の電圧は大きくなります。 2つのポイント。 直流ではなく交流を測定する場合、これはより複雑になりますが、設計が異なるとこれも可能になります。
並列の2つの回路要素の両端の電圧が同じであるため、電圧計を並列に接続する必要があります。 電圧計は、主回路から大きな電流が流れすぎて結果に干渉するのを防ぐため、高抵抗が必要です。 さらに、電圧計は大電流を流すように構成されていないため、電圧計を直列に接続すると、ヒューズが簡単に壊れたり溶断したりする可能性があります。
電圧の例
電位を扱う方法を学ぶには、オームの法則を使用する方法を学び、キルヒホッフの電圧法則を適用して回路内のさまざまな要素の電圧降下を決定する方法を学びます。 最も簡単なことは、オームの法則を回路全体に適用することです。
回路が12Vのバッテリーで駆動され、合計70オームの抵抗がある場合、回路を流れる電流はどのくらいですか？
ここでは、電流の式を作成するためにオームの法則を再調整する必要があります。 法律は次のように述べています。
V = IR
あなたがする必要があるのは両側をで割るだけですR逆に取得します。
I = \ frac {V} {R}
値を挿入すると、次のようになります。
\ begin {aligned} I＆= \ frac {1 \ text {V}} {70 \ text {Ω}} \\＆= 0.1714 \ text {A} \ end {aligned}
したがって、電流は0.1714 A、つまり171.4ミリアンペア（mA）です。
しかし、ここで、この70Ωの抵抗が、20Ω、10Ω、および40Ωの値を持つ3つの異なる抵抗器に直列に分割されていると想像してください。 各コンポーネントの両端の電圧降下はどのくらいですか？
ここでも、オームの法則を使用して各コンポーネントを順番に調べ、回路周辺の全体的な電流が0.1714Aであることに注目できます。 3つの抵抗のそれぞれにV = IRを順番に使用します。
最初に：
\ begin {aligned} V_1＆= 0.1714 \ text {A}×20 \ text {Ω} \\＆= 3.428 \ text {V} \ end {aligned}
二番目：
\ begin {aligned} V_2＆= 0.1714 \ text {A}×10 \ text {Ω} \\＆= 1.714 \ text {V} \ end {aligned}
そして3番目：
\ begin {aligned} V_3＆= 0.1714 \ text {A}×40 \ text {Ω} \\＆= 6.856 \ text {V} \ end {aligned}
キルヒホッフの電圧法則によれば、これらの3つの電圧降下は合計で12Vになるはずです。
\ begin {aligned} V_1 + V_2 + V_3＆= 3.428 \ text {V} + 1.714 \ text {V} + 6.856 \ text {V} \\＆= 11.998 \ text {V} \ end {aligned}
これは12Vから小数点以下2桁に相当しますが、わずかな不一致は丸め誤差によるものです。
並列コンポーネント間の電圧降下
上記の電圧を測定する方法の説明では、回路内の並列コンポーネント間の電圧降下は同じであることに注意してください。 これはによって説明されます閉ループ内のすべての電圧（電源からの正の電圧とコンポーネントからの電圧降下）の合計はゼロに等しくなければならないというキルヒホッフの電圧法則.
複数の分岐がある並列回路の場合、並列分岐とバッテリーのいずれか1つを含むこのようなループを作成できます。 各ブランチのコンポーネントに関係なく、任意のブランチでの電圧降下しなければならないしたがって、バッテリーによって提供される電圧に等しくなります（簡単にするために、直列の他のコンポーネントの可能性を無視します）。 これはすべての分岐に当てはまるため、並列コンポーネントの電圧降下は常に等しくなります。
電球の電圧と電力
オームの法則は、権力に関連するように拡張することもできます（P）、これは1秒あたりのジュール（ワット、W）、そしてP = IVであることがわかります。
電球などの回路コンポーネントの場合、これは、それが放散する（つまり、光に変わる）電力がその両端の電圧に依存し、電圧が高いほど出力が高くなることを示しています。 前のセクションの並列コンポーネントの説明に沿って、並列に配置された複数の電球は、配置された同じ電球よりも明るく輝きます。 直列に接続すると、バッテリーの全電圧が各電球で降下しますが、並列に接続すると、その3分の1しか降下しません。 シリーズ。