電圧、電流、電力と発電について教えて下さい。

質問

中学校の理科の教科書で、資源やエネルギーの章に、
問い「電気抵抗の小さい送電線を用いると、どうしてエネルギーの損失が小さくなるのだろう」
というものがありました。

送電線というのは、電柱についている銅線のことなのですが、
考えているうちに自分がそもそもの部分が分かっていないと分かりました。

・交流と直流では、オームの法則などは同様に考えていいのか。
・発電所で発電する電気というのは、電流、電圧、電力の何のことか。
・ついでに電源装置では、大本として電流、電圧、電力の何を変化させているのか。
・送電線は、電圧、電流、電力の何が一定なのか。ぜんぶ一定じゃないのか。
・電流によって電圧が生まれるのか、電圧によって電流が生まれるのか。

など、次々と分からないことが浮かんできます。
根本的なところが分からないので、質問がバラバラですが、
上の疑問や、教科書の問いに対して何と答えればいいのか、
ひとつでもいいから教えてもらえたら嬉しいです。

回答No.4

orcus0930 · ベストアンサー

#2です。
電線は、普通の回路で言えば導線に当たる部分です。

ですから、
>高電圧にするほど多くの電流が流れるのではないのでしょうか？
ではないんです。

まず、オームの法則を良く理解しましょう。
>電圧は電流と抵抗の積なので、
厳密には、そうではありません。
オームの法則はV=IRと表現されますが、
ここでのVは電位差です。電圧で考えて考えがごちゃごちゃになってしまっていますね。

たとえば、1万ボルトで送電し、電圧降下が起きて、9000ボルトになれば、電位差は1000Vですから、オームの法則には1000Vを代入することになります。

1万Vで送電しても、電位差が1万Vではないということです。

さて、では、なぜ高電圧にして送電するとエネルギー損失が小さくて済むのか、ということですが、

まず、ブレーカーを見てください。
契約アンペア数が記載されていると思います。
ここでは30Aとしましょう。

一般的に日本の家庭は100V電源ですから、
100V×30A=3000Wの電力を使用可能ということです。

ここで、変圧器を使用する際のエネルギー保存を考えなければなりません。
100Vを10万V（1000倍）に電圧を上げて電線で送電するとしましょう。
電圧を1000倍すると、変圧器では電流は1000分の1になります。
つまり、ブレーカーぎりぎりで使用したとして、
電線では1家庭分は、
30A/1000=30mA流せば済みます。

電線も銅や、アルミでできており、電気抵抗を持っています。
なので、Ri^2でエネルギーを使っていくことになります。

なので、電線内を流れる電流を小さくすれば、エネルギー損失を小さくできるわけです。
電力がVIで表せるので、Vを大きくすればIは小さくて済むので、
高電圧にすればするほど、エネルギ損失をおさえることができるようになるのです。

お礼

＞オームの法則はV=IRと表現されますが、
＞ここでのVは電位差です。電圧で考えて考えがごちゃごちゃになってしまっていますね。

確かに全体の電圧と部分とを勘違いしていました。
電力が一定なので、電圧が大きくなると電流が小さくなるんですね。

とても分かりやすかったです。ありがとうございました。

回答No.3

KEN_2

電圧・電流・抵抗を水の流れに置き変えて考えると、概念が理解できると考えられます。
電気を考えるには水の流れで説明すると理解する生徒が多いですね。

まず、２個の水の入ったバケツがあり、このバケツをホースで接続します。
片側のバケツを高く持ち上げるほどホースに流れる勢いと量が増加します。
ここで、
１．バケツの高さ：電圧（差）となります。
２．ホースを流れて、別のバケツに溜まる水の量：電力と考えます。
３．ホースの太さ：電気抵抗の小さい送電線

ここで、
同じ太さのホースでも、多くの無数の穴が開いていたとすると、途中で漏れ出し片側のバケツに
溜まる水は少なくなります。
１．ホースの無数の穴が少なければ、電気抵抗の小さい送電線となります。

上記の概念でイメージは掴めましたか？
下記の質問は結果だけ記載します。上の例で理由を考えてください。

＞同様に・交流と直流では、オームの法則などは同様に考えていいのか。
　同様に考えてよいです。直流の抵抗に交流の抵抗を加算します。
＞・発電所で発電する電気というのは、電流、電圧、電力の何のことか。
　電力を発電します。変圧器で電圧は変換できます。
＞・ついでに電源装置では、大本として電流、電圧、電力の何を変化させているのか。
　通常の使用では電圧を可変します。
＞・送電線は、電圧、電流、電力の何が一定なのか。ぜんぶ一定じゃないのか。
　電流一定です。途中で徐徐に電圧は低下します。
＞・電流によって電圧が生まれるのか、電圧によって電流が生まれるのか。
　抵抗に流れる電流で電圧が発生します。抵抗が無ければ電圧は発生しません。

お礼

水で考えると良かったんですね。
ただの数字と式でのつながりでしか考えていなかったので、
よく分かりました。

ありがとうございました。

回答No.2

orcus0930

まず、電線の電圧はどこでも一定、というわけではありません。
どんどん低くなっていきます。

なので電流で考えるべきです。
オーム抵抗の発熱量はRi^2ですから、
抵抗が小さいほうがエネルギー損失は小さくなります。

また、別の話ですが、同じ理屈で、同じ電力を送電するなら、高電圧にするほうが、電流が小さくて済むので、
エネルギー損失が少なくて済みます。

なので、変電所で、高電圧に上げて、家庭の近くの変圧器で、下げて、送電ロスを小さくしています。

また、電気料金の利用明細を見る限り、
私たちは使用した電力量に対して、お金を払っています。
電力を作り出しているのが正しいのかもしれません。（同時に電圧も電流も発生しますが）

補足

ありがとうございます。

＞オーム抵抗の発熱量はRi^2ですから、抵抗が小さいほうがエネルギー損失は小さくなります。
＞同じ理屈で、同じ電力を送電するなら、高電圧にするほうが、電流が小さくて済むので、エネルギー損失が少なくて済みます。

というところがよく分からないのですが、
電圧は電流と抵抗の積なので、同じ（抵抗の）電線を通すならば、
高電圧にするほど多くの電流が流れるのではないのでしょうか？
同じことかもしれませんが、RI^2=VIと変形できる気もします。

質問ばかりですみませんが、よろしくお願いします。

回答No.1

kitarota

教科書の問に関して、回答します。
電気抵抗の小さい送電線を用いるとエネルギー損失が小さくなる理由は、電気抵抗が大きいものは、電気コンロや電気ストーブの電熱線が当てはまります。従って、電気を流したときに熱を発生し、これが損失するエネルギーに相当します。
なので、電気抵抗が小さいものは、熱の発生が少ないので、損失するエネルギーも小さくなるといことです。

補足

ありがとうございます。
ですが、教科書からの引用が少し足りなかったのが悪いんですが、、
「～～小さくなるのだろう。オームの法則を使って考えてみよう。」
と書いてあったので、悩んでいました。

熱が発生すると言うことは、電気エネルギーが熱エネルギーに変わっている、
となると、やはり電気エネルギー（電力）なので、
抵抗だけでなくそこにかかる電力や流れる電流によって発熱量は変わるのではないか？
でも電圧が一定なら抵抗が大きいほうが電力は小さい？じゃあ逆？
などと考えているのですが、それ以上のことが分からないのです。

上の考え方は間違っているでしょうか。