2 · Electricity

見えないエネルギー

スイッチを押すと部屋の電灯が点灯する。発電所とランプの間には、このセクションで扱うすべての要素がある：家庭配線が安全を確保する方法、電圧が回路内で電流を駆動する仕組み、そして — (P) — 表面同士をこすり合わせて生じる静電気による電荷の吸引力・反発力、あるいは放電現象である。

Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Section 2 （記述 2.1–2.28P）。単位：アンペア (A)、クーロン (C)、ジュール (J)、オーム (Ω)、ボルト (V)、ワット (W)。P付きの記述はPhysics専用拡張分野であり、Paper 2Pで評価される。

商用電力

商用電力は交流 (a.c.) で、1秒間に何度も方向が逆転する；電池は直流 (d.c.) を供給し、常に一方向に流れる。

安全対策：ワイヤーの絶縁被覆、二重絶縁（プラスチック製筐体、アース不要）、アース（故障電流によってヒューズを溶断させる低抵抗経路）、ヒューズおよびブレーカ（過電流時に溶融またはトリップし、配線や人々を守る）。抵抗器内の電流は電気エネルギーを熱エネルギーに変換する——これはポットやヒーターの原理であり、ヒューズの定格値が重要となる理由でもある。

Worked check (fuse choice). A 230 V, 1.15 kW heater draws $I = P/V = 1150/230 = 5$ A — fit a 13 A fuse (next standard rating above the current); a 3 A fuse would blow in normal use.

回路

直列回路はチェーン（スイッチ、アンメーター、イルミネーションライト）に適している——どこでも同じ電流が流れ、電圧は加算され、一处の故障で全てが停止する。並列回路は家庭用照明に適している——各ランプは電源電圧をそのまま受け取り、独立して動作し、節点では電流が合算される（節点における電荷保存則）。

電流は金属内における負電荷電子の流れである。電圧は単位電荷あたりに移動するエネルギー（1 V = 1 J/C）である。2つの抵抗器を直列に接続すると $R = R_1 + R_2$ となる；並列では合成抵抗はどちらか一方よりも小さくなる。

** worked example (電荷とエネルギー) **: 携帯電話充電器が 2.0 A を 5.0 V で 30 分供給する。秒単位の時間: $t = 30 \times 60 = 1800$ s。電荷: $Q = It = 2.0 \times 1800 = 3600$ C。エネルギー: $E = QV = 3600 \times 5.0 = 18\,000$ J。同じ答えは $E = IVt = 2.0 \times 5.0 \times 1800$ からも得られる。

** I–V 特性**: 一定温度のオーム導体は原点を通る直線（抵抗一定）を示し、白熱電球は加熱による抵抗上昇で曲線となる。ダイオードは片方向のみ伝導する。光抵抗: 照度が上がると抵抗が下がる。サーミスタ: 温度上昇に伴い抵抗が下がる（冷却则由上升 — 温度センサーとして使用）。ランプとLEDは電流を表す。

** worked example (温度センサー) **: サーミスタと固定 4.0 kΩ 抵抗を 12 V の電源に直列に接続する。電圧計はサーミスタ両端の電圧を読み取る。

• 暖かい部屋、サーミスタ 2.0 kΩ: 合計 $R = 6.0$ kΩ、よって $I = 12 \div 6000 = 0.0020$ A。サーミスタ両端の電圧 $= IR = 0.0020 \times 2000 = 4.0$ V。
• 寒い部屋、サーミスタ 8.0 kΩ: 合計 $R = 12$ kΩ、よって $I = 0.0010$ A。サーミスタ両端の電圧 $= 0.0010 \times 8000 = 8.0$ V。

寒さほどサーミスタの抵抗が大きくなり、より多くの 12 V を負担する。電圧計読みが設定値を超えるとヒーターを作動させることができる。確認: 各場合で2つの電圧の和は 12 V になる（$4.0 + 8.0$ と $8.0 + 4.0$）。

** worked check。** 4 Ω と 6 Ω の2つの抵抗器を 10 V の電源に直列接続する場合：合計 10 Ω、$I = 10/10 = 1$ A；電圧はそれぞれ 4 V と 6 V。並列接続で 10 V に接続する場合：各枝の電流は 10/4 = 2.5 A および 10/6 ≈ 1.67 A — 合計 ≈ 4.17 A、等価抵抗 ≈ 2.4 Ω（どちらかより小さい）。

電気的電荷 (P)

伝導体（金属）は電荷の流れを許容する；絶縁体（プラスチック）は許容しない。

絶縁体をこすると電子が移動する——失った方は正に、得た方は負に帯電する（プロトンの移動ではない）。異種電荷は引き合い、同種電荷は反発する。帯電棒が微小な無電荷の紙片を惹きつけるのは、誘起によって電荷分離を生じさせるためである。危険例：航空機やタンク車の給油時の放電火花——アースド・バンドにより電荷を安全に逃がす。用途：複写機やインクジェットプリンターは、帯電トナーや液滴を制御するために利用される。

よくあるミス

• 時間を分や時間単位で $Q = It$ や $E = IVt$ に残す。秒を使用すること。
• ランプによって電流が使われると誤認する。直列回路ではどこでも電流は等しく、実際に移動するのはエネルギーである。
• 並列接続における抵抗の加算。並列結合抵抗は、小さい方よりも 小さい。
• 動作電流に等しいか、わずかに低いヒューズ選定を行う。動作電流より高い値にしなければならない。否则正常使用时熔断。
• LDRの抵抗が明るい光で上昇したり、サーミスタが熱时上昇したりと誤認する。どちらも低下する: 明るさまたは高温ほど抵抗が低くなる。
• (P) 絶縁体に摩擦を与えたとき正電荷が動くという説明。電子のみが移動する。

自己チェック

1. 交流と直流の違いを述べ、それぞれの一例を挙げる。
2. アースとヒューズが連携してユーザーを保護する仕組みを説明せよ。
3. 230 V の電気ポットは 2.0 kW と定格されています。電流と最も適切なヒューズを計算しなさい。
4. 家庭用照明回路を並列接続にする理由を2つ述べよ。
5. 導線、白熱電球、ダイオードのI-V曲線の形状を述べよ。
6. 光照射下でLDRの抵抗はどのように変化するか。
7. エネルギーと電荷を用いて電圧を定義せよ。
8. 2 A が 30 s 流れたときの電荷量を計算しなさい。
9. (P) ポリチレン棒を布でこすると負に帯電する仕組みを説明せよ。
10. (P) 静電気による危険例1つと有用な用途1つを挙げよ。

解答: 1 a.c. は方向を繰り返して逆転する — 主電源; d.c. は一方向に流れる — 電池や蓄電池; 2 アース線は低抵抗の経路を提供するため、大きな故障電流がアースへ流れヒューズを溶断させ、利用者が活線筐体に触れる前に電源を遮断する; 3 $I = 2000/230 = 8.7$ A — 13 Aヒューズ; 4 各ランプに全主電源電圧が印加される; 1つのランプが故障しても他は点灯し続け（スイッチも独立）、制御可能である; 5 原点を通る直線; S字状曲線（発熱により勾配減少）; 順方向閾値までゼロ、その後急上昇（一方向のみ通過）; 6 減少する; 7 電圧とは単位電荷あたりに移動するエネルギーのこと（1 ボルト = 1 ジュール / クロン）; 8 $Q = 2 \times 30 = 60$ C; 9 (P) 摩擦によって電子が布から棒へ移動し、棒は電子を得て負に、布は正に帯電する; 10 (P) 危険 — 航空機・タンク車の給油時の火花; 用途 — コピー機またはインクジェットプリンター。