「電位・電圧とは何か」をシミュレーションで理解しよう！[電気回路,物理入門]

2021-11-03　 電圧・電流・抵抗

前回記事で、抵抗とは何かを説明しました。抵抗は電荷の速度に比例して、電荷にかかる抵抗力であり、自然状態では電流は0に収束します。

そのため、電流が流れ続けるためには何らかの力が必要です。その力の源が、今回説明する「電圧」です。

「電圧」とは「位置エネルギーでの高さ」みたいなもの！

電圧とは、エネルギーの源です。ここで↓図のようなときの力学的な位置エネルギーを思い出してみます。

このとき位置エネルギーは↓のように表現できます。重さmという物体に、F=mgでhの距離間で力を加えられるという意味です。

ここで一様電界の場合を考えると、かかる力Fは↓と表現できるので

この電界でのエネルギーは位置エネルギーと同様に「力F×距離」と表現できます。

電圧は、この「電界でのエネルギー」に他なりません！ただし、電位の定義は分かりやすくするために「電位＝電荷1クーロンあたりの位置エネルギー」と定められています。故に電圧は以下のように求められます。

上記の位置エネルギーとの比較からわかるように、電位とは高さのことです。電位が高いほど、エネルギーが高く、電荷に力が加えられる状態になるわけです！イメージとしては↓のような感じです。電位を高くすると、高さがあがるのです。この高さ＝電位差のことを電圧といいます。

電源は電位(電圧)を引き上げてくれる！

上記で説明した電位・電圧ですが、電源を使うとこの電位を上げることができます！電源の仕組みはまた後に記事化しますが、このように電圧を押し上げてエネルギーを加えてくれるものです。

このような電圧による「高さ」が発生すると、抵抗力が発生する抵抗地帯(紫色点部分)も↓のように力を相殺して、等速で進むことが可能になるんです！

抵抗ではF=kv(前回記事参照)の力が電荷にかかります。このとき、抵抗力F=kvと電界による力F=eEが釣り合い、電圧V＝Edであるため、電荷の速度vは↓のように求められます。

つまり、電荷速度vは電圧に比例します。故に、電流も電圧に比例します。次回記事で詳細は説明しますが、これがオームの法則です。
　

「電位・電圧」シミュレーターで確認しよう！

それではまず電位・電圧がどんな役割をなすかのイメージをシミュレーターで確認しておきましょう！

シミュレーター結果の要点

シミュレーターで電圧をあげると、回路の高さが上昇します。ですので、回路図は2次元でなく、3次元的に考えるとイメージが湧きやすいです。なので、今後もこの3次元表現を使って、電子回路を解説していきます。

今回は電源で電圧を上げて、その位置エネルギーを使って抵抗を通るイメージでした。重要なのは「電源で上がった電圧が、全て抵抗部分で使われること」です。回路中で挙げられた電圧は、必ず1周する前にどこかで消費され、スタート地点には元の電位で返ってくるんですね。

次回は電流と電圧と抵抗の関係を示す、オームの法則について詳しく解説します！
　

[関連記事] 電流・電圧・抵抗の基礎

1．電流とは何か

2．電流の強さを決める要素

3．抵抗のイメージ

4．電位・電圧とは何か(本記事)

5．オームの法則