【電験理論の直流回路講座】直流回路の電圧の向きについて

基礎講座
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でんます
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こんにちは!電気資格コンサルタントのでんますです!

ないお
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電験の問題で電圧の向きがマイナスとプラスがあってよくわからないんだけど…。

今回は、こういった悩みにお答えします。

現在電験理論の勉強をし直しているのですが、電圧の向きについてややこしいなーと思ったので今回この内容を書いてみようと思います。

まず、1つの回路に2つの電圧源があると、片方がマイナスの電圧になることがあります。

こういった回路ですね。

やっかいなのはこの図面上ではマイナス表記になっていないところでして、しっかり電圧の向きを判断しないと計算ミスにつながってきます。

ということで、今回は実際僕が勉強していてでてきた疑問についてお話していきます。

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【電験理論の直流回路講座】直流回路の電圧の向きについて

直流回路における電圧、電流の向きはある程度決まりがありますが、なかなか理解するのに時間がかかるかと思います。

電源が一つであれば話は簡単なのですが、やはり難しい問題になってくると電圧源が2つや3つある回路の計算を求められるようになります。

ですので、とりあえず電流や電圧の向きを理解して、本質から答えを導き出せるようにまとめましたので、参考にしてみてください。

電気回路の基礎知識

電気回路の基礎として考えたとき、どういった回路を考えるか?というと以下のようなものかと思います。

電源は仮に電池が接続されていると考えると、そこから出た電気的圧力により電流が流れ、抵抗を通り電力が発生します。

ということで、基本的には電流の向きと同一の方向へ電圧が発生すると言えます。

そうすると、電池から電池へ戻ってくるところの電圧はというと、0となります。

これは水流で例えるとわかりやすいのですが、水は高いところから低いところへ流れますが、これは水位差がありこの差のおかげで圧力が発生します。

圧力が使い切られると、当然圧力はなくなりますから数値としては0になるという考え方になります。

100Vから0Vになるまでに、抵抗でこの圧力が使用されるため抵抗を通ると圧力(電圧)が消失すると考えればわかりやすいかと思います。

電流の向きと電圧については、この考え方が非常に重要ですのでしっかり理解してから進む必要がありますね。

複数の電圧源回路の考え方

上記で説明した回路が電気の回路として一番簡単かと思うのですが、次は複数の電圧源回路を持ったときどういった考え方で対応するか説明します。

まず、回路としては下記の通りです。

この回路ですと、簡単に言えば電池が2個くっついて接続されていると考えればわかりやすいと思います。

仮に電池が1個2.5Vだとしたら、2個で5Vになりますね。

そして、抵抗で起こる電圧降下の和と、電源電圧の合計値は等しいと言えますので、以下の式が成立します。

この公式を【キルヒホッフの第2法則】と呼びます。

問題は、次のような回路図の場合電圧が逆になるときがあるというところです。

この場合ですと、【ミルマンの定理】を使用していく形になりますが、ここのE2が逆電圧になってしまいます。

で、どうやって考えていくべきかというと、まず電流の向きを書いてみます。

真ん中に電流を打ち消し合うところがあると思いますが、今回はあまり関係ないので割愛します。

次に電圧の向きを考えてみます。

このように4と2で真逆になっているのがわかります。

電圧の絶対値としては2ですが、4Vが基準と考え電流の流れを見てみると、電位差0のところに電流が行っているのがわかるかと思います。

そして、この回路を書き換えると次のようになります。

このように、電流とは逆向きの電圧がかかるため、E2はマイナスとなるということがわかります。

応用問題の解説

次は応用問題として1つ回路を例に説明します。

ここのIの値を求めよという問題です。

この場合も電流の向きを考えつつ、電圧の方向を確認していく必要があります。

ですので、使う公式としては【ミルマンの定理】ですが、簡単に回路を描き直すといいです。

基準は真ん中のIになるので、E2が基準電圧とします。

そうすると、電流の向きは次のようになります。

真ん中は0になるのがわかるかと思いますが、一見向きがあってそうですが書き換えると向きが反対になっているのがわかります。

今回E2が基準ですから、E1はマイナスの電圧となります。

このようにちょっとわかりづらいですが、電圧の方向まで理解できるようになれば、直流回路についてはマスターしたと言えるかと思います。

【電験理論の直流回路講座】直流回路の電圧の向きについて:まとめ

今回は直流回路についてお話しさせていただきました。

直流回路は電験でいうところの基礎の基礎くらいの単元ですので、しっかり理解しておく必要があります。

概念としては多少ずれますが、交流回路の計算のときや電動機の等価回路を組むときなども使える知識となっています。

つたない絵で説明させていただきましたが、理解していただければ幸いです。

ここまでお読みいただき、ありがとうございました^^

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