オームの法則の不思議

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電圧が先か、電流が先か

電圧があるから電流が流れるのか、電流があるから電圧が発生するのか。。。
「それを考えてると一晩中寝られないの。。」
とは春日三球師匠のフレーズですが、 これ、どちらだと思いますか?

小学校で初めて電気について勉強する時に登場するのは、電池と豆電球の回路かと思います。
電池を直列に繋ぐと豆電球が明るくなる。
電池を並列につないでも明るさは変わらない。
豆電球を直列につなぐと暗くなる。
豆電球を並列につなぐと、それぞれの明るさは変わらない。
ちょっと進むとモーターが出てきて、モーターにつけたプロペラを回すと電池なしに豆電球を点けたり出来る。
なんて実験した記憶があります。

中学校になると、オームの法則を教わります。

E=IR 電圧E(単位:V)、抵抗R(単位:Ω)、電流I(単位:A)です。
(最近はEではなくVみたいでV=RIと教わる様ですが、おっさんなのでE=IRで行きます。)

この電圧、電流、抵抗の関係を、高いところに置いたホースつきの水タンクで説明を受けた方もいらっしゃると思います。
タンクの高さが電圧、ホースの細さが抵抗、ホースに流れる水が電流です。
(個人的にはこれが勘違いの元だと思ってるんですが。。)
また、私たちの生活環境においては、乾電池は1個1.5V、ニッケルメタル充電池は1.2V、リチウムイオン電池は3.7V、自動車のバッテリーは12V、USBは5V、電灯線(コンセント)は交流100Vと、電源と言えば電圧が登場します。
ということで、一般的には「電圧があるから、回路に電流が流れる」と理解されていることが多いように思います。

ところが、フレミングの法則が出てくるあたりで様子が変わってきます。
上の例でいうと、電池でモーターを回す(左手の法則)、モーターを回すと豆電球が点く(右手の法則)なわけですが、フレミングの法則では、電気が流れる(つまり「電流」)と教わり、基本的に「電圧」が登場しません。
次に出てくるのは(私年代のおっさんだと)高校の理科I、理科II、物理あたりでしょうか。
ファラデーの電磁誘導の法則、レンツの法則、クーロンの法則あたりで「力」とか「起電力」なんて単語が登場しますが、ここでも基本的に電圧は出てきません。
学校でこれらを教わる段階では実際の電圧や電流の値を求めるような計算は殆どしないので、多くの人はここに電圧が登場しないことをあまり疑問に思わないかもしれませんが。。

また、電気が流れると「電圧降下」が起きるとか、電流は「電荷が物質内を移動すること」とか教わりますが、計算は各種方程式を覚えてれば良くわからんでもとりあえず問題は解けるので、概念的に理解できているかは甚だ疑問だったりします。
更に、高校で物理をとらず、その後も電磁気学、電気回路、電子回路に触れることがなければ、せいぜいフレミングの法則で止まっているわけで、なんとなく「電圧が先」と覚えてる方が多いように思えます。
(個人の感想です。)

まあ、世の中の電源は電圧源であることが多く、電圧から考えることでほとんどの場合は事足りてしまうのも事実ですが、オーディオとか電子回路を弄る場合は、電圧ありきでは片付かないケースが出てきます。

つまり、電圧がある(タンクの高さがある)から、抵抗(ホース)に電流(水)が流れるというのでは、とても説明しづらい(というか説明がつかない)ケースが出てくるということです。
いの一番に思い浮かぶのは。。。
カタログやライターさんの解説で毎度のようにその極悪非道っぷりが目の敵にされる、スピーカーの「逆起電力」ですかね。。

はい。出ました。出ちゃいました。
「逆起電力」ですよ。
「起電力」だけでも凄そうなのに「逆」と来られたら、なんだか闇のボスキャラ的なイメージありませんか?
ねえ、お嬢さん。(みのもんた風)

ところで起電力ってなんだべ?(笑)

すみません。
脱線しました。

最初の話に戻しましょう。
電圧が先か、電流が先か。

これまでの話の中に答えが散らばってます。

起電力というのは、電荷を移動させる力の事です。
電源とか信号源と読み替えていただいても構いません。
起電力を回路に接続し、電荷が移動することで、電流と電圧が発生します。
つまり、答えとしては同時発生。
どっちが先ということではありませんでした。(笑)
計算する時に、「都合がいい方優先」で良かったりします。
ちなみに、都合がいいといっても、自分にとっての都合ではなく、回路の動作から計算や解析をするのに都合がいいという事ですので念のため。

アンプ等の電子回路を弄りだすと、電流源とか、定電流回路とかが登場して来ます。
以前のエントリーにもチョコっと登場したLED(発光ダイオード)。
LEDは順方向電流(数m〜数10mA)で点灯します。
半導体であるがゆえに、電圧では閾値電圧を超えた瞬間に一気に電流が流れてあっという間に壊れてしまい、制御出来ません。
LEDの明るさを一定に保つためには定電流出力型の電源が必要です。LED自体の順方向電圧降下は後からついてきます。
また、真空管やトランジスタ、FETを制御するには、電流を中心に考える必要があります。
バイアス電流何mAだからゲート電圧は何V位必要で、負荷何Ωで何Aまで出力したいからドレイン電圧は何V必要かとか、ここの電流が何Aだから、電圧は何Vになっているはず。などなど。。
更には、(場合によってですが)先ほどの「逆起電力」なんて電流でも電圧でもなく「抵抗」(インピーダンス)として考えたほうが手っ取り早いなんてこともあったりします。
ということで、電圧ではなく電流や抵抗が先に立つ考え方も時には必要だ。ということがご理解いただけると嬉しいです。

回路の動作を考える時、電源や信号源が、電圧源なのか電流源なのかを見極める事が理解を助けることになります。
いずれにせよ使う式はE=IRだけです。
実際の回路では、電圧と電流どっちを先に考えたほうが都合がいいのかが分かりにくい場面もあったりするので厄介なのですが、そこは知識と経験でカバーする領域なのかもしれません。
とすれば、時々あれ?って思っちゃう私はまだまだということですね。(笑)

電圧源、電流源と負荷抵抗(インピーダンス)の関係

電圧源、定電圧電源回路は、負荷がどうあれ一定の(所定の)電圧を供給するように働きます。
負荷抵抗(インピーダンス)が低くなると、所定の電圧を維持するために電流が多く流れるので、電圧×電流で、消費電力はどんどん大きくなります。
このため、電圧源にとっては負荷抵抗の値が小さいものを「負荷が重い」と表現します。
一般的なトランジスタのSEPPパワーアンプは定電圧出力型なので、スピーカーのインピーダンスが低くなるほど負荷が重くなります。
原理的には電圧源の負荷抵抗が0Ωに近くなるとほぼ無限大に電流が流れるようになりますが、現実には回路や使用素子によって重い負荷でどこまで電流を出力できるかの性能に限界があります。

電流源、定電流回路は、負荷の状態にかかわらず一定の(所定の)電流を供給しようとします。
この場合、負荷抵抗(インピーダンス)が低ければ低いほど必要な電圧が下がり、消費電力が小さくなるため回路の負荷は軽くなり、逆に抵抗値が上がれば上がるほど同じ電流を流すために必要な電圧が上がり消費電力が増えるので、負荷としては重くなります。
定電流源は電子回路内でトランジスタなどのバイアス電流を供給(規定)するのにも使われますが、ごく一部には信号伝送に使われたり、スピーカーを定電流駆動するタイプのパワーアンプなんていうものもあったりします。
電流源にとっては負荷抵抗の値が大きいものを「負荷が重い」と表現します。
負荷抵抗がオープン(無限大)に近づくと電圧も無限大に大きくなっていきますが、こちらも現実には限界があります。