スイッチを入れると明かりがつき、スマートフォンは充電すれば動き出す。だが、電気はなぜ流れ、どこで仕事をしているのだろうか。本章では、電圧・電流・抵抗という基本要素から出発し、発電、モーター、電池、太陽電池までを一つの物語として解き明かす。電気は見えないが、その振る舞いには明確な構造と法則がある。
電気は「圧力」と「流れ」と「抵抗」の物語
はじめに：
スイッチを押すと、瞬時に部屋が明るくなる。スマートフォンは充電すれば何時間も動き続ける。モーターは電気で回り、太陽光パネルは光を電気に変える――。
これらはすべて電磁気学という、目に見えないエネルギーの流れと変換を支配する仕組みで説明できます。前章の熱が「温度差による拡散」だったのに対し、本章の電気は**「電位差による流れ」**という、より制御しやすいエネルギー形態です。
キーワードは3つ：構造（電気回路の配置）、流れ（電荷の移動）、制御（電圧・電流・抵抗の関係）。そして核心の原理――電気と磁気は表裏一体であり、互いに変換できるという相互関係です。
第1幕：「電気回路の三要素」―電圧・電流・抵抗とオームの法則
日常の疑問
なぜ乾電池は1.5Vと決まっている？ 延長コードが熱くなるのはなぜ？ 100Wの電球と60Wの電球、何が違う？
仕組みの説明
要素（Elements）
- 電圧（V：Volt）：電気を流そうとする「圧力」、電位差
- 電流（I：Ampere）：実際に流れる電荷の量（単位時間あたり）
- 抵抗（R：Ohm）：電流の流れにくさ、エネルギーを熱に変換する度合い
相互作用（Interactions）
電圧（押す力）→ 抵抗（妨げ）→ 電流（実際の流れ）
オームの法則：V = I × R
電圧 = 電流 × 抵抗
または：
電流 = 電圧 ÷ 抵抗（I = V/R）
抵抗が大きい → 電流が減る
電圧が高い → 電流が増える
システム的視点：電気回路は「水の流れ」に例えると理解しやすくなります。
- 水流アナロジー
電圧 ≈ 水圧（高低差）→ 水を流そうとする力 電流 ≈ 水量（毎秒の流量）→ 実際に流れる量 抵抗 ≈ 管の細さ・摩擦 → 流れを妨げるもの 水圧が高い（電圧大）→ 水量増える（電流大） 管が細い（抵抗大）→ 水量減る（電流小） - オームの法則の実例
- 乾電池1.5V + LED（抵抗150Ω）
I = V/R = 1.5V ÷ 150Ω = 0.01A = 10mA - 家庭用コンセント100V + 電熱器（抵抗10Ω）
I = 100V ÷ 10Ω = 10A10倍の電圧 × 15分の1の抵抗 = 1000倍の電流！
- 乾電池1.5V + LED（抵抗150Ω）
- 抵抗の物理的意味
- 電子が物質内を移動する際、原子に衝突 → 運動エネルギーが熱に変換
- 抵抗が大きい = 衝突が多い = 発熱が大きい
- 延長コードが熱くなる理由：細い銅線 = 抵抗大 → 電流が流れると発熱
- 直列と並列
【直列接続】 抵抗R1 → 抵抗R2 → 合成抵抗 = R1 + R2（増加） 電流は同じ、電圧が分配される 【並列接続】 抵抗R1 ↓ → 合成抵抗 = (R1×R2)/(R1+R2)（減少） 抵抗R2 ↓ 電圧は同じ、電流が分配される
全体挙動（Behavior）
電気回路では、電圧が電流を駆動し、抵抗が電流を制限するという三角関係が常に成立します。この関係を制御することで、私たちは電気を自在に扱います。
社会とのつながり
- 家庭の配線：100V固定、使用機器の抵抗で電流が決まる
- 安全規格：許容電流を超えると発熱 → ブレーカーが遮断
- 電子機器：抵抗を調整して適切な電流を各部品に供給
- 送電：高電圧（数万V）で送電 → 電流減 → 送電ロス（I²R）削減
第2幕：「電気が仕事をする」―消費電力と電力量
日常の疑問
なぜ電気代は「W（ワット）」と「Wh（ワット時）」で表示される？ 100Wの電球を10時間つけると、電気代はいくら？ なぜ電気ストーブは電気代が高い？
仕組みの説明
要素（Elements）
- 電力（P：Watt）：単位時間あたりのエネルギー消費率（瞬間的な仕事率）
- 電力量（Wh：Watt-hour）：一定時間に消費した総エネルギー
- 仕事：電気エネルギーが他の形態（光・熱・運動）に変換されること
相互作用（Interactions）
電力 = 電圧 × 電流（P = V × I）
または（オームの法則を使って）
電力 = 電流² × 抵抗（P = I²R）
電力 = 電圧² ÷ 抵抗（P = V²/R）
電力量 = 電力 × 時間（Wh = W × h）
電気代 = 電力量 × 単価（円/kWh）
システム的視点：電力は「エネルギーの流量」、電力量は「エネルギーの総量」です。
- 電力の計算例
- 100V × 1A = 100W（白熱電球）
- 100V × 10A = 1000W = 1kW（電気ストーブ）
- 100V × 0.5A = 50W（扇風機）
- 電力量と電気代
100W電球を10時間使用： 電力量 = 100W × 10h = 1000Wh = 1kWh 電気代（30円/kWhとして）： 1kWh × 30円 = 30円1000W電気ストーブを10時間使用： 電力量 = 1000W × 10h = 10kWh 電気代 = 10kWh × 30円 = 300円同じ時間でも10倍の差！ - 電力の形態変換
- 光：LED（電力の40%が光、60%が熱）
- 熱：電気ストーブ（ほぼ100%が熱）
- 運動：モーター（90%が回転、10%が熱）
- 化学：充電池（95%が化学エネルギー、5%が熱）
- なぜ電気ストーブは電気代が高い？
電気ストーブ：1000W（大きな抵抗で大電流を流して発熱） エアコン（暖房）：300W（ヒートポンプで外気の熱を移動） → 同じ暖房効果でも、エアコンは電力1/3以下ストーブは「電気を直接熱に変換」、エアコンは「電気で熱を運ぶ」から効率が違います。
全体挙動（Behavior）
電力は「エネルギー変換のスピード」を表します。高電力の機器は短時間に大量のエネルギーを消費し、電力量は累積した総消費量です。電気代は電力量で決まるため、低電力の機器を長時間使う方が、高電力を短時間使うより安くなることもあります。
社会とのつながり
- 省エネ家電：LED電球は白熱電球の1/8の電力で同じ明るさ
- 待機電力：微小でも24時間×365日 = 年間で数千円
- 電力需給：ピーク時（夏の昼間）は総電力が供給限界に近づく
- 電気自動車：40kWhバッテリー = 家庭の1日分の電力量
第3幕：「動きと電気の相互変換」―電磁誘導とモーター
日常の疑問
自転車のライトはペダルを漕ぐと点灯するのはなぜ？ モーターと発電機は何が違う？ ワイヤレス充電はどうやって電気を送る？
仕組みの説明
要素（Elements）
- 磁場（磁界）：磁石の周りに存在する「場」、電流も磁場を作る
- 電磁誘導：磁場の変化が電圧（起電力）を生み出す現象
- モーター：電気 → 回転運動（電磁力の利用）
- 発電機：回転運動 → 電気（電磁誘導の利用）
相互作用（Interactions）
【電磁誘導の法則（ファラデーの法則）】
磁場の変化 → コイルに電圧発生 → 電流が流れる
変化が速い → 電圧大
コイルの巻数多い → 電圧大
【モーターの原理】
電流 → コイルに磁場発生 → 外部磁石と反発/吸引 → 回転
【発電機 = モーターの逆】
回転 → コイルが磁場を横切る → 電磁誘導 → 電流発生
システム的視点：電気と磁気は「相互変換可能なエネルギー形態」です。
- 電磁誘導の発見（1831年、ファラデー）
コイルに磁石を近づける・遠ざける → コイル内の磁場が変化 → 電圧が発生（電磁誘導） → 回路が閉じていれば電流が流れる重要：静止した磁場では電圧は生まれない。変化が必須。 - 発電機の仕組み
タービンが回転 ↓ コイルが磁場内を回転（または磁石が回転） ↓ コイルを貫く磁場が周期的に変化 ↓ 交流電圧が発生- 水力発電：水流 → タービン回転 → 発電
- 風力発電：風 → プロペラ回転 → 発電
- 火力発電：蒸気 → タービン回転 → 発電
- モーターの仕組み
コイルに電流を流す ↓ コイル周りに磁場が発生 ↓ 外部磁石の磁場と作用（反発/吸引） ↓ コイルが回転 ↓ 電流の向きを切り替え（整流子/制御回路） ↓ 連続回転 - モーターと発電機の対称性
モーター：電気エネルギー → 機械エネルギー（回転） 発電機：機械エネルギー（回転）→ 電気エネルギー 構造はほぼ同じ！ → ハイブリッド車のモーターは減速時に発電機として働く - ワイヤレス充電の原理
送電コイル（交流電流）→ 変動磁場発生 ↓ 受電コイルが磁場の変化を感知 ↓ 電磁誘導で受電コイルに電流発生 ↓ 充電空間を通して電力を伝送！（ただし効率はやや低い）
全体挙動（Behavior）
電気と磁気は双方向の変換関係にあります。電流は磁場を作り、磁場の変化は電流を生む。この相互作用が、現代文明のエネルギー変換の基盤です。
###社会とのつながり
- 発電所：すべての発電（太陽光以外）は最終的に電磁誘導で電気を作る
- 電動工具：ドリル、掃除機、電車、すべてモーター駆動
- 回生ブレーキ：電車・EVは減速時にモーターを発電機化してエネルギー回収
- 変圧器（トランス）：電磁誘導で電圧を変換（送電は高圧、家庭は100V）
第4幕：「化学が生む電気」―電池の原理
日常の疑問
なぜ乾電池は使い切ったら終わりで、充電池は繰り返し使える？ レモン電池は本当に電気を作れる？ 電池の「容量（mAh）」とは何？
仕組みの説明
要素（Elements）
- 正極（＋極）：電子を受け取る側（酸化反応）
- 負極（－極）：電子を放出する側（還元反応）
- 電解質：イオンが移動する媒体
- 酸化還元反応：電子の授受による化学反応
相互作用（Interactions）
【電池の基本動作】
負極：金属が溶ける → 電子を放出（酸化）
↓
電子が外部回路を流れる（電流）
↓
正極：電子を受け取る → イオンが還元
↓
電解質：イオンが内部を移動（回路を閉じる）
化学エネルギー → 電気エネルギー
システム的視点：電池は「化学反応の駆動力を電気の駆動力に変換する装置」です。
- 一次電池（使い切り）の例：アルカリ乾電池
負極（亜鉛）：Zn → Zn²⁺ + 2e⁻（電子放出） 正極（二酸化マンガン）：MnO₂ + e⁻ → 還元体 電圧：約1.5V 使い切ると：負極の亜鉛が消費され、反応が停止 → 不可逆なので充電不可 - 二次電池（充電可能）の例：リチウムイオン電池
放電時： 負極（黒鉛）：Li → Li⁺ + e⁻ 正極（リチウム酸化物）：Li⁺ + e⁻ → Li化合物 充電時： 逆方向に電流を流す → 反応が逆転 正極のLiが負極に戻る → 可逆反応なので繰り返し使用可能 - レモン電池の原理
負極：亜鉛板（Zn → Zn²⁺ + 2e⁻） 正極：銅板（H⁺ + e⁻ → H₂） 電解質：レモンの酸（クエン酸 → H⁺イオン） 電圧：約0.9V（実用には弱いが動作は本物） - 電池容量（mAh, Ah）
容量 = 電流 × 時間 例：2000mAh = 2Ah の電池 → 2A を 1時間 供給可能 → 1A を 2時間 供給可能 → 0.5A を 4時間 供給可能 スマホバッテリー（3000mAh）： 平均消費電流0.3A → 約10時間駆動 - 電池の種類と特性
【一次電池】 - アルカリ乾電池：安価、長期保存可 - リチウム一次電池：高電圧、軽量、高価 【二次電池】 - 鉛蓄電池：車のバッテリー、重い、安価 - ニッケル水素：乾電池型充電池 - リチウムイオン：高エネルギー密度、スマホ・EV - 全固体電池：次世代、安全性高、開発中
全体挙動（Behavior）
電池は「化学的な高低差」を利用して電子を押し出します。正極と負極の電位差（電圧）が化学反応の自発性から生まれ、それが電流を駆動します。充電池は反応を逆転できる可逆性を持つため、繰り返し使えます。
社会とのつながり
- モバイル革命：リチウムイオン電池なしにスマホ・ノートPC・EVは成立しない
- 再生可能エネルギー：太陽光・風力の不安定さを蓄電池で補完
- 電動化：EV、電動工具、ドローン、すべて電池が鍵
- 環境問題：電池のリサイクル、レアメタル採掘の持続可能性
第5幕：「光が電気に変わる魔法」―半導体と太陽電池
日常の疑問
なぜ太陽光パネルは光を当てるだけで電気を作れる？ 半導体とは何？ なぜシリコンが使われる？
仕組みの説明
要素（Elements）
- 半導体：導体（金属）と絶縁体（ゴム）の中間の性質を持つ物質
- p型半導体：正孔（＋の電荷を持つ「穴」）が多い
- n型半導体：自由電子（－の電荷）が多い
- pn接合：p型とn型を接合した構造、電流を一方向にしか流さない
- 光起電力効果：光が当たると電子が励起され、電圧が発生
相互作用（Interactions）
【半導体の性質】
純粋シリコン（Si）：常温では電気をほとんど通さない
↓
不純物を添加（ドーピング）
↓
p型：ホウ素添加 → 正孔が多い（電子の「空席」）
n型：リン添加 → 自由電子が多い
【pn接合の形成】
p型とn型を接合
↓
接合面で電子と正孔が結合
↓
内部電場が形成（電位の壁）
↓
一方向にしか電流が流れない（ダイオード）
【太陽電池の動作】
光（フォトン）が当たる
↓
電子が励起（高エネルギー状態へ）
↓
電子がn型側へ、正孔がp型側へ移動
↓
電位差（電圧）が発生
↓
外部回路に電流が流れる
システム的視点：半導体は「電子の流れを制御する材料」、太陽電池は「光エネルギーを電位差に変換する装置」です。
- 半導体の本質
【導電性の階層】 導体（銅、金）：自由電子が多数 → 容易に電流が流れる 半導体（シリコン）：条件次第で導電性が変わる 絶縁体（ゴム、ガラス）：自由電子がほぼゼロ → 電流が流れない半導体の利点：ドーピングで電気特性を自在に調整できる - pn接合の仕組み
p型 接合面 n型 ┃正孔多い│ │電子多い┃ ┃ │ 空乏層 │ ┃ ┃ │←内部電場→│ ┃ 順方向電圧（p側を＋）：電流流れる 逆方向電圧（n側を＋）：電流流れない（整流作用） - 太陽電池の構造
[光 ↓↓↓] ───────────── 透明電極（光を透過） n型シリコン（薄層） ─────────────← pn接合 p型シリコン（厚層） ───────────── 裏面電極 光がpn接合付近に到達 → 電子-正孔ペアが生成 → 内部電場で分離 → 電圧発生（約0.6V/セル） - 変換効率の現実
理論限界（シリコン）：約30% 市販品の実用効率：15〜22% 残りのエネルギーはどこへ？ - 反射・透過：入射光の一部は利用できない - 熱：電子の励起で生まれた余剰エネルギー - 再結合：電子と正孔が再結合してエネルギー損失 - 太陽電池の種類
【結晶シリコン系】 - 単結晶：効率高（20〜22%）、高価 - 多結晶：効率中（15〜18%）、安価、主流 【薄膜系】 - アモルファスシリコン：効率低（7〜10%）、柔軟、軽量 - CIGS、CdTe：効率中、資源制約 【次世代】 - ペロブスカイト：効率急上昇中（25%超）、耐久性が課題 - タンデム型：複数層で異なる波長を吸収 → 効率30%超
全体挙動（Behavior）
半導体のpn接合は「電子の一方通行」を作り出し、太陽電池では「光のエネルギーを電子の運動に変換」します。光子が電子を叩き起こし、内部電場がそれを整流して電流を生む――化学反応なしに、光が直接電気に変わる画期的な技術です。
社会とのつながり
- 再生可能エネルギー革命：太陽光発電は設置容量で世界1位のエネルギー源に
- 宇宙開発：人工衛星・探査機はすべて太陽電池で動作
- 半導体産業：トランジスタ、IC、CPU、すべてpn接合技術の応用
- オフグリッド生活：太陽電池+蓄電池で電力会社に依存しない生活が可能
終幕：電気の世界の統一理論
統合的理解
これまで見てきた要素は、電気エネルギーの流れ、変換、制御という一つのストーリーです。
【構造】
電圧（電位差）+ 電流（電荷の流れ）+ 抵抗（流れの制限）
磁場 ⇄ 電場（電磁気の相互作用）
化学反応 ⇄ 電気（電池）
光エネルギー → 電気（太陽電池）
【流れ】
電圧が電流を駆動（V = IR）
電流が仕事をする（P = VI）
電磁誘導：磁場の変化 ⇄ 電流
化学反応：電子の授受 → 電流
光：電子の励起 → 電流
【制御】
抵抗：電流を制限、熱に変換
pn接合：電流を整流（一方向化）
インバーター：直流 ⇄ 交流変換
変圧器：電圧を変換
回路：電流の経路を設計
実例：スマートフォンの1日
あなたのスマホに、すべての電磁気学が詰まっています。
- 朝：充電
- コンセント（100V交流）→ アダプター（降圧+整流）→ 5V直流
- リチウムイオン電池（化学反応）に電気を蓄積
- 容量3000mAh = 3Ah × 3.7V = 約11Wh
- 昼：使用
- 電池が放電（化学→電気変換）
- CPU：半導体（トランジスタ数十億個）で情報処理
- ディスプレイ：電流 → 光（LED/有機EL）
- スピーカー：電流 → 磁場 → 振動膜が動く（音）
- バイブレーション：電流 → モーター回転
- 午後：無線充電
- 充電パッドから変動磁場
- スマホ内コイルで電磁誘導
- 交流 → 整流 → 直流 → 充電
- 夕方：太陽光で充電（モバイルソーラー）
- 太陽光 → 太陽電池（光起電力効果）
- 電圧調整 → 電池へ
- 夜：省エネモード
- 画面輝度を下げる（電流減 → 消費電力減）
- バックグラウンドアプリ停止（CPU電流減）
- 待機電力を最小化
すべては電圧・電流・抵抗の制御とエネルギー形態の変換です。
まとめ：なぜ電磁気学を学ぶのか
「だからこうなるのか」
- スイッチを入れると瞬時に点灯するのは、電場が光速で伝わるから（電子自体は遅い）
- モーターが回るのは、電流が作る磁場が外部磁石と相互作用するから
- 太陽電池が発電するのは、光が電子を励起し、pn接合が電位差を作るから
- 充電池が繰り返し使えるのは、酸化還元反応が可逆的だから
- 「前より判断しやすくなった」
- 省エネ判断：電力（W）が高い機器は短時間使用、低い機器は長時間OK
- 充電戦略：急速充電（大電流）は電池劣化を早める、遅い充電が長持ち
- 太陽光導入：変換効率20%なら、100Wの光で20Wの電力（曇りは1/5程度）
- 安全管理：電流が危険（100mAで心停止リスク）、電圧は間接的要因
- 「人に説明できそう」
- 電磁気学は抽象的な理論ではなく、私たちが毎日使うエネルギーの正体を明かす物語です。
- 電気は「見えない水流」、電圧は「圧力」、抵抗は「管の細さ」
- 電気と磁気は双子、一方が動けばもう一方も動く
- 化学反応は「電子の取引」、電池はその取引所
- 光は「エネルギーの粒」、半導体はそれを電気に両替する
- 次にスマホを充電するとき、電車に乗るとき、太陽光パネルを見るとき――そこに電磁気学の美しい法則が働いていることを、あなたは語れるでしょう。
- 電気は、見えないエネルギーが織りなす、現代文明の血液である。
※AI支援によって記事を作成しています。
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