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電力量と熱量、交流の基礎【第2種電気工事士合格への道】

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こんにちは、最近、カレーを辛いと感じない!しまじです☆ 

第2種電気工事士試験合格への道、4回目です。

 目次

 

電力量と熱量

今日は「電力量と熱量」から学んでいきます。前回、「電力」と電圧V・電流I・抵抗Rとの関係について、次の式が成り立つことを学びました。

 電力P(W)=VI=I2(2乗)R=V2(2乗)/R

では、「電力量」とは、何でしょうか?「電力」に「量」がついています。「時間」がもう1つの関係する値として「電力」に関わっています。すなわち、ある時間にて消費される電力のこと、電気エネルギーの総量のことを「電力量」と言います。

電力量W(kW・h)を表す式は、

 W(kW・h)=P(kW)×t(h)

 p : 電力(kW)

 t : 時間(h)

「電力」に「時間」をかけると、「電力量」になります。ここで、電力Pの単位が(kW)になっている事に注意!k(キロ)すなわち、Wの×1000倍の単位になってます。(W)だと、現実世界では、あまりに小さな値となる為、良く使われている(kW)表示の単位となっています。逆に、小さい値の場合は、

 W(W・s)=P(W)×t(s)

 P : 電力(W)

 t : 秒(s)

で表すことが出来ます。

 

さらに、この電力量W(W・s)を、熱量Q(J)に換算すると、

 1(W・s)=1(J)

となります。熱量とは熱の量、この場合は、電気が仕事をすることによって発生する熱の量を表しています。電力1ワットが1秒間にした仕事「電気量」が、1ジュールの「熱量」に変わります。

では、この「熱量」をkWとkJで換算してみましょう。

 1(kW・h)=1000×60×60(W・s)=3600000(J)=3600(kJ)

1時間=60分×60秒を使っています。

これらをまとめると、

 Q(kJ)=3600W(kJ)=3600Pt(kJ)=Pt(kW・h)=P(kW)×t(h)

熱量Q(kJ)は、電力量W(kW・h)の3600倍になるという事ですね。

ちょっとまとめます。

電力・電力量・熱量のまとめ

単位が、P(W)とt(s)の場合

  • 電力  P(W)
  • 電力量 W(W・s)=Pt(W・s)
  • 熱量  Q(J)=W(J)=W(W・s)=Pt(W・s)

 

単位が、P(kW)とt(h)の場合

  • 電力  P(kW)
  • 電力量 W(kW・h)=Pt(kW・h)
  • 熱量  Q(kJ)=3600W(kJ)=3600Pt(kJ)=W(kW・h)=Pt(kW・h)

熱量がkJの時、3600倍になる事に注意っ

例題

接触不良を起こしている電線があります。この電線の接触不良部分の抵抗が、0.5(Ω)です。流れている電流が10(A)だとすると、接触不良部分で発生する、1時間あたりの熱量Q(kJ)は?

【解き方】

熱量Qを求める時は、わかる値から順番に求めていきます。最初に求めるのは電力Pですね。値が解っている、電流値と抵抗値から求めます。単位にも注意しながらの計算になりますね。

 P(W)=I(A)×I(A)×R(Ω)=10(A)×10(A)×0.5(Ω)=100(A)×0.5(Ω)=50(W)=0.05(kW)

次に、電力量W(kW・h)を求めます。時間は、1時間でしたね。

 W(kW・h)=P(kW)×t(h)=0.05(kW)×1(h)=0.05(kW・h)

最後に、熱量Q(kJ)を求めます。kJの時は、3600倍ですね。

 Q(kJ)=3600×W=3600×0.05=180(kJ)

【解答】180(kJ)

 

交流の基礎

まず、電圧には直流電圧と交流電圧の2つがあります。

今まで学んできたのは、直流電圧です。直流電圧は、常にプラスで一定の電圧がかかり、1方向に向けて電流が流れてます。単純で、すごく分かり易いです。が、世の中には交流電圧というものがもう1つあります。そして、家庭や工場などに、電柱から供給されている電気は、ほとんどが交流電圧なのです!

交流電圧って波形とか出てきて、めっちゃ解りにくいっ。でも、この交流電圧を理解しなければ、第2種電気工事士への合格はかなり難しいですよねっ。やるしかないです(泣)1つずつ学んでいきましょう!

正弦波交流

正弦とは、一定の位相を持っているという意味なので、「正弦波交流」とは、一定の位相を持った交流の波であると言えます。

 

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縦軸が交流電圧で、横軸が時間になります。交流電圧の電圧は、時間とともにsin(サイン)波の正弦波として、プラスになったりマイナスになったりします。直流はずっとプラスで一定なのに対し、交流は一定周期で0(V)から始まり、プラスマイナスを繰り返します。

また、この正弦波交流には、周期と周波数というものがあります。

 周期 : 電圧の波が、0(V)から始まり、プラス側を経て0(V)に戻り、更にマイナス側を経て0(V)に戻るまでの間を、周期といいます。T(s)で表します。

 周波数 : 1秒間に繰り返す、周期の回数を周波数と言います。f(Hz)で表します。

  • 周期 T=1/f(s)
  • 周波数 f=1/T(Hz)

ちなみに、日本の交流周波数は、東日本が周波数50(Hz)で周期0.02(s)、西日本が周波数60(Hz)で周期約0.017(s)になります。

また、この交流電圧の正弦波における、瞬間的な電圧値を「瞬時値」といい、「瞬時値」の中で、最も大きい値を「最大値Em」といいます。

  • 瞬時値 e=Em sin2πft(V)

「瞬時値e(V)」は上の式で、表されます。

実効値

電圧や電流が正弦波交流の波のままだと、常に値が変化する為、非常に計算し難いですが、平均的な大きさを表すことで、直流電圧がかかったときと同じ様に扱うことが出来ます。それを「実効値」といい、次の関係式が成り立ちます。

  • 実効値=最大値/√2
  • 最大値=実効値×√2

便利ですね。

位相差

電圧と電流の位相の差、いわゆる波のズレです。正弦波交流の電圧に抵抗やコイルなどの負荷を接続して電流を流すと、電圧と電流の波が、時間的にある位相でズレて流れます。なぜズレるかは、また後程として、このズレの差を「位相差」と言います。

また、先ほど説明した「周期」、1周期を360°に換算した時に示す角度をθ(シータ)で表します。波を、角度で表す?なんか、慣れるまでは不思議な感覚ですね。

更に深く踏み込みますと、このθ(シータ)に入る角度を表す方法には、2パターンあり、分度器などでよく見る度数法(°)と、弧度法(rad ラジアン)があります。弧度法は、半周期がπ、1周期が2πで表され、それぞれの角度では、それぞれの角度の割合で割った角度となります。代表的な度数法と弧度法の表示一覧は、こちら。

度数法(°) 弧度法(rad)
0 0
30 π/6
45 π/4
60 π/3
90 π/2
120 2π/3
180 π
360

例題

 実効値が100(V)の、正弦波交流電圧の最大値は?

【解き方】

正弦波交流電圧であることから、実効値と最大値の関係式が成り立ちます。

 最大値=√2×実効値

でしたね。では、計算してみます。ちなみに、√2≒1.41で、これは、覚えるしかありません。

 最大値=1.41×100(V)=141(V)

【解答】141(V)

  

今日のまとめ

今日は、「電力量と熱量」そして「交流の基礎」について学びました。基礎と言いながらも、なかなかとっつきにくい内容でした。電圧が、波の形で流れてきてるって、いったいどういう事なんでしょう?目に見えないだけに、想像を膨らませてはみますが。。。なんだか、夢に出てきそうですっ

それでは