絵で見てなっとく!シリーズ電気回路がよくわかる

書籍の概要

この本の概要

電気回路は電気をエネルギーとして利用するためのものです。本書は初学者のために,電気回路を構成する基本素子,電気機器のしくみ,電気の計測など身の回りの電気と電気回路を理解するための幅広い領域をイラストを使って,ていねいに説明していきます。本文の理解を助けるため,見えない電気の働きをイラスト化して,見開きで必ず入れています。基本的な考え方を順を追って確実に解説していきますので,はじめての人も類書では理解できなかった人も,読み進むうちに分かるようになります。

社会基盤を支える重要な要素である「電気」は,私たちのもっとも身近な存在でありながら,意外にその本質やしくみが知られていません。本書は,電気の不思議を知りたい一般の人はもちろん,仕事や電気の資格取得のために基礎知識を得たい人にも最適です。

こんな方におすすめ

  • 電気・電子に興味のある方
  • 電気回路の基本を知って上手に活用したい型
  • 電気の入門者

目次

PART1 電気回路の素朴な疑問

プロローグ

  • 電気力 最新科学でも解明できない電気の正体

電気の由来

  • 雷電之気 電気はいつから「電気」だったのか
  • 電荷 プラスとマイナスはいつ誰が決めた?

電気の正体

  • 摩擦電気 物をこするとなぜ髪の毛が引っ付くのか
  • 荷電粒子 「電荷」に取りつかれた電子と陽子
  • 光子 最新の科学では何がわかっているのか
  • クーロンの法則 離れた2つの電荷に働く力
  • 電位差(電圧)と電流 なぜ電気は「流れる」のか
  • 電子とイオン 電流の実体は何か(1)
  • ホール(正孔) 電流の実体は何か(2)

電気の疑問

  • 電流の伝搬 電子(電荷)の移動速度は意外に遅い?!
  • 導体,絶縁体,半導体 電気が流れる物質かどうかの違いは何?
  • 電流の3大作用 電流が流れると何が起こるのか
  • 電気の閉回路 電気は流れてどうなってしまうのか

PART2 電気と磁気の深い関係

磁気の正体

  • 電子スピン 磁力が発生するのは電子の仕業

電流と磁気

  • 電流の電磁作用 電流が流れると近くの磁針が動くわけ
  • ソレノイドと電磁石 電気で磁石をつくる
  • 電界と磁界の強さ 磁力や電気力の強さを表す単位
  • 電磁誘導現象 電流で磁界が発生するなら,その逆もあり?
  • マクスウェルの電磁方程式 電界と磁界を統一した4つの基本式 0

電磁力の応用

  • フレミングの左手の法則 磁石と電流から運動が起こる
  • フレミングの右手の法則 磁界の中で導線が動くと電流が流れる
  • 電動機と発電機 電動機と発電機は双子の兄弟

電磁波の伝搬

  • 変位電流 電子が流れなくても電流が流れる
  • 電磁波 電磁エネルギーは空間を伝わる
  • 電波と光 電磁波と電波は別ものなのか?
  • アンテナ なぜアンテナの形はいろいろあるのか
  • 電波の性質 スカイツリーはなぜ建てられたのか
  • 電離層 電波が地球の裏側まで届くのはなぜ?

PART3 電気をつくる

電気をつくる

  • 発電,起電力 電気以外のエネルギーを電気に変える
  • ボルタ電池 イオンの化学反応で電気をつくる
  • 電池 電池の性能を良くするにはどうする?
  • 三相交流発電機 発電所の発電機は3系統の電気をつくる
  • 周波数 発電機の回転数が周波数を生む
  • 発電所の形式 何の力で発電機を回すのか
  • ベストミックス,スマートグリッド 電気を無駄なく安定供給するしくみ
  • 電気の質 電気にも品質の良し悪しがある?

電気を送る

  • 送電 どうして3本の電線で電気が送れるのか
  • 送電設備 どうして電気は高圧交流で送るのか
  • 変圧器 電圧を変える電気機器

電気を届ける

  • 配電 使い勝手のよい電気を需要家に供給する

注目の発電システム

  • 太陽光発電 太陽光エネルギーを電気に変える
  • 燃料電池 水素と酸素で電気を生みだす
  • 熱電変換素子 ゼーペック効果で熱から直接電気を生む(半導体)
  • 高速増殖炉 燃やすと燃料が増える夢の発電方式

PART4 電気回路の基礎

回路の基礎

  • 部品と回路 電気回路と電子回路はどこが違うのか
  • 電源と負荷 回路のエネルギー源と消費側
  • 直流と交流 交流の大きさを表す「実効値」って何?
  • 抵抗 電流を妨げる「抵抗」とは何か
  • オームの法則 電圧・電流・抵抗の関係
  • 分圧と分流 抵抗の直列接続と並列接続の役割は?
  • 電力とジュール熱 電気のエネルギー量はどうやって表すの?

回路素子

  • 主要3素子 電気回路の3つの主要素子
  • コンデンサ 絶縁体の分極を利用して電気を蓄える
  • コンデンサの交流電流 コンデンサに流れる電流は電圧より進む
  • コイル 電流の変化で逆起電力が発生する
  • コイルの交流電流 コイルに流れる電流は電圧より遅れる

交流回路

  • 位相 波のずれ具合を表す角度
  • インピーダンス 交流回路での素子の抵抗成分
  • 交流電力 コンデンサとコイルは電力を消費しない
  • 力率 位相のずれで発生する電力の無駄づかい
  • 進相コンデンサ 力率の低下はコンデンサで改善する

電源回路

  • AC-DCコンバータ 電子回路駆動用の直流電圧をつくる
  • 電源トランス(変圧器) 必要な電圧に変換する回路 
  • 整流回路 ダイオードで一方通行の流れをつくる
  • 平滑回路 波形の凸凹を平らにならす
  • 安定化回路 安定した直流電圧をつくる
  • スイッチング電源 小形で効率のよい電源回路

電力制御

  • スイッチング素子(トランジスタとFET) 小さな電流で大きな流れを制御する
  • スイッチング素子(サイリスタ) 電力を制御して調光や温度の調節をする

PART5 電気を利用する

電気を光に変える

  • 熱放射とルミネッセンス 電気で光るしくみは2つ
  • 白熱灯 設備が簡単,しかし効率の悪さが難点
  • 白熱灯の種類 用途に合わせて上手に電球を選ぶ
  • 蛍光灯 熱損失が少ない高効率の光源
  • インバータ式蛍光灯 家庭用交流を高周波に変換して点灯
  • HIDランプ 封入金属ガス圧を高めた高輝度発光灯
  • 発光ダイオード(LED) 小型省電力で長寿命な光源
  • LED電球 コストパフォーマンスが普及の鍵
  • 有機EL LEDと同じ電界ルミネセンス発光源

電気を熱に変える

  • ヒーターの種類ジュール熱で加熱する抵抗加熱
  • IHヒーター 電磁作用で鍋底から発熱させる
  • 電子レンジ 食品中の水分子を振動させて加熱する
  • ヒートポンプとエコキュート 電気を利用して大気の熱を汲み上げる

電気で冷やす

  • エアコン 冷暖房切り替えの主役は四方弁
  • ペルチェ素子 CPU冷却や卓上クーラーで活躍中

電気で動力を生む

  • 整流子モーター 高速回転できて回転力の制御が簡単
  • ブラシレスモーター 音が静かで省エネ機器に採用が増える
  • 誘導モーター 回転する磁界に合わせて導体が回る
  • 三相誘導モーター 簡単に回転磁界がつくれる三相交流
  • 単相誘導モーター 家庭用の単相電源で回転力を生む
  • 同期モーター 電源周波数に回転数がピタリ一致する

PART6 動力を制御する

モーターの回転制御

  • インバータ制御 電源の周波数を変えて回転数を制御する
  • ステッピングモーター制御 回転角度を正確に制御する

モーターの運転制御

  • 直入れ始動法(全電圧始動法) 定格出力5kW以下のモーター始動用
  • スターデルタ始動法 始動電流を抑えて設備負担を減らす
  • 電磁開閉器 モーターを制御するためのリレー装置
  • 正転逆転回路 電線3本のうち2本を入れ替えて逆転
  • スターデルタ始動回路 時限継電器で巻き線接続を切り替える

自動制御

  • シーケンス制御 電気回路の制御対象は多岐にわたる
  • シーケンス制御機器 シーケンス制御に使う機器とスイッチ
  • シーケンス図 シーケンス制御回路の設計図

PART7 電気の安全対策と電気計測

屋内配線の安全対策

  • 電源極性 交流なのに極性がある?
  • 分電盤 安全確保に不可欠な機器の収納箱
  • 過電流遮断器 過大電流から電路(電線)を守る
  • 漏電遮断器 電気の事故を間際で防ぐ
  • 接地 感電防止と電子機器のノイズ遮断
  • 避雷器(バリスタ) 雷サージから電子機器を守る

電気を測る

  • 可動コイル形メーター 直流計測が簡単で高感度,正確
  • 可動鉄片形メーター 丈夫で安上がりに交流電流を測る
  • 電流力計形メーター 電力や力率を測る
  • 誘導形電力量メーター アルミ円盤の回転数で使った電力を測る
  • 時間区分形電力量メーター 電気料金の異なる時間帯を分けて測る
  • 変流器 大電流を安全に測る
  • デジタル計器 A-D変換器で測定値を数値化する