ピクシブ百科事典

電気回路

でんきかいろ

電気の流れが巡り行く道。
目次[非表示]

概要

電気を通す導線によって、電池豆電球などの電気素子を繋いだりしたもの。
よく記号を用いた回路図で表現されて論じられる。

抵抗(R)、コンデンサ(C)、コイル(L)によって構成されるものが基本的。
ダイオードトランジスタなどの半導体素子が用いられる場合は特に電子回路と呼ばれる。

電気回路の電圧は物理的理解が難しい所があるが、「素子をまたがない限り変化しない」というルールに基づく一種のパズルと見ると解き易い。

グラフ理論トポロジーと密接であり、そういう捉え方が役に立つ事がある。
電気回路の素子が、グラフ理論のに相当し、素子によって分断された導線の連なりが頂点に相当する。
電気回路は、グラフ理論の辺に特殊な性質を持たせた、一種の拡張と見る事ができる。

電圧源と電流源

電池や発電機などの電源は、電気回路においては主に電圧源と呼ばれる。
対して電流源という概念もあり、現実の電源は電流源としての見方もできなくもない。

電気回路における電圧源は、内部抵抗が0な理想的なものであり、両端の電圧に強制的に特定の差を設ける。
電流源は、内部抵抗が∞であり、強制的に特定の電流を流す。

電圧源の場合、両端に何も繋がなくても問題は無いが、導線で繋げてしまうと∞の電流を流し、∞の電力消費が発生するという異常状態になる。
電流源の場合、両端を導線で繋いでいれば問題は無いが、何も繋がない場合にも電流を流すため、、∞の電圧と電力消費が発生するという異常状態になる。

コンデンサとコイル

コンデンサとコイルは主に交流において効果を発揮する。
交流では抵抗と同様、電流を妨げる働きをするが、抵抗とは異なり電力の消費を伴わない。
共にエネルギーを蓄える機構を持っており、消費したように見える電力は蓄えられているだけであって、マイナスの電力という形で周期的に放出されている。
この抵抗のような性質は、通常の抵抗と区別してリアクタンスと呼ばれ、抵抗と総合してインピーダンスと呼ばれる。

CやLが入った回路を普通に解こうとすると、微分方程式になったりして厄介だが、複素数を利用して解く方法が存在しており、通常の交流回路の場合は、これを利用すれば普通の掛け算割り算だけで解く事ができる。

コンデンサには、一時的な電圧源のような性質があり、コイルには、一時的な電流源のような性質がある。
CとLが共に存在してると共振が起こる。

電気回路と双対

電気回路においては、電圧と電流、直列並列、コンデンサとコイル、電圧源と電流源が双対の関係を持っている。
これらを反転させたような回路は双対回路と呼ばれる。
直列と並列の反転に関しては、グラフ理論における双対グラフと全く同じ要領である。
この双対関係は電気と磁気の関係に繋がっている。

抵抗の場合は抵抗のままだが、値が逆数となる。
抵抗の逆数はコンダクタンス(G)と呼ばれるため、抵抗はコンダクタンスに置き換わるような形となる。
抵抗の場合、直列がただの足し算になるのに対し、並列は複雑な計算となるが、コンダクタンスで考えると逆に、並列の方がただの足し算となる。

なお、並列抵抗の計算は、平行の記号を用いて表現される事がある。
A∥B=1/(1/A+1/B)という形である。
足し算と並列抵抗の計算の間には、ORとANDの関係に通じる関係がある。

電気と機械

速度質量など、いわゆる物理的・力学的な作用を扱う分野は、電気に対しては機械と呼ばれている。
電気回路は、機械に当てはめて考えられる部分があり、それを押さえておくと互いに理解の役に立つ事がある。
具体的には以下のものが対応している。

電気機械
電圧
電流速度
抵抗(電気抵抗)機械抵抗
インダクタンス(コイルの持つ性質)質量
キャパシタンス(コンデンサの持つ性質)バネ定数の逆数(機械的コンプライアンス)
電荷位置距離
磁束運動量

なお、エネルギー、時間仕事率(電力)は共通いている。

関連タグ

電子工作 回路 電子回路 電気 グラフ理論 トポロジー
直流 交流 三相交流
抵抗 抵抗器 豆電球 コンデンサ コイル アース アンテナ 電圧計 電流計
ダイオード 発光ダイオード/LED トランジスタ 真空管

関連外部リンク

pixivに投稿された作品 pixivで「電気回路」のイラストを見る

このタグがついたpixivの作品閲覧データ 総閲覧数: 652

コメント