「電源から遠い機器だけ、なんとなく電圧が低い気がする」
電気工事や電気設備について勉強していると、「電圧降下」という言葉を目にすることがあります。
電圧降下とは、電流が電線などの抵抗を持つ部分を流れることで、その部分に電圧の低下が生じる現象です。
特に、電線が長くなったり、電線の抵抗が大きくなったりすると、電圧降下も大きくなります。
この記事では、電圧降下の基本から、オームの法則との関係、電線の長さや太さによる違い、具体的な計算例まで、電気を学び始めた人にも分かりやすく解説します。
電圧降下とは？
電圧降下とは、電流が電線などの抵抗を持つ部分を流れることで、その部分に電圧の低下が生じる現象です。
電線は一見すると、電気をそのまま通しているだけのように見えます。
しかし、実際の電線にも電気抵抗があります。
そのため、電流が電線を流れると、電線の抵抗によって電圧の一部が失われます。
例えば、電源側が100Vであっても、電線に電圧降下が生じれば、負荷側で測定される電圧は100Vより低くなることがあります。
この「電源側の電圧と負荷側の電圧との差」が、電圧降下です。
なぜ電圧降下が起こるの？
電圧降下を理解するためには、オームの法則が重要です。
オームの法則は、
V＝IR
で表されます。
Vは電圧［V］、Iは電流［A］、Rは抵抗［Ω］です。
電線にも抵抗があるため、電流が流れると、
電圧降下＝電流×抵抗
として考えることができます。
つまり、
Vd＝IR
となります。
Vdは電圧降下［V］です。
電線の抵抗が大きいほど、また流れる電流が大きいほど、電圧降下は大きくなります。
電線が長いほど電圧降下が大きくなる理由
電線は長くなるほど、一般的に電気抵抗が大きくなります。
同じ材質・同じ太さの電線であれば、電線の長さが長いほど抵抗は大きくなります。
そのため、
電線が長い
↓
電線の抵抗が大きくなる
↓
電圧降下が大きくなる
という関係になります。
特に、電源から離れた場所に負荷を設置する場合は、電線の長さが大きくなるため、電圧降下を考慮する必要があります。
ここで注意したいのが、「片道の長さ」だけを見るのではなく、電流が流れる回路全体を考えることです。
例えば、2本の電線で電源から負荷まで電気を送る回路では、往路と復路の両方の電線に抵抗があります。
そのため、電圧降下を考えるときは回路全体の抵抗を考えることが重要です。
電線が細いと電圧降下が大きくなる
同じ材質で比較した場合、一般的に電線の断面積が小さいほど抵抗は大きくなります。
つまり、同じ長さの電線であれば、
細い電線
→ 抵抗が大きくなりやすい
→ 電圧降下が大きくなりやすい
太い電線
→ 抵抗が小さくなりやすい
→ 電圧降下が小さくなりやすい
という関係があります。
そのため、電気設備の設計では、流れる電流だけでなく、配線の長さなども考慮して適切な電線を選定する必要があります。
ただし、「電圧降下が小さければ、どんな電線でも使用できる」という意味ではありません。
電線の選定では、許容電流や施工条件、保護装置など、複数の条件を考慮する必要があります。
電圧降下の計算例
ここでは、電圧降下の基本的な計算をしてみます。
例えば、回路全体の電線抵抗が0.2Ωで、そこに10Aの電流が流れているとします。
オームの法則から、
V＝IR
なので、
V＝10A×0.2Ω
となります。
したがって、
V＝2V
となり、この回路では2Vの電圧降下が生じることになります。
電源電圧が100Vだった場合、単純化して考えると、負荷側の電圧は、
100V－2V＝98V
となります。
このように、電線の抵抗と流れる電流が分かれば、電圧降下を計算することができます。
電圧降下と電力損失の関係
電圧降下を考えるときは、電線で発生する電力損失についても知っておくと理解しやすくなります。
抵抗を持つ電線に電流が流れると、電線では電力が消費されます。
この電力は、
P＝I²R
で表すことができます。
例えば、電線の抵抗が0.2Ω、電流が10Aの場合、
P＝10²×0.2
となるため、
P＝20W
です。
つまり、この条件では電線部分で20Wの電力が消費されます。
電流が大きくなると、電力損失は電流の2乗に比例して大きくなる点が重要です。
そのため、大きな電流を流す回路では、電線の抵抗による電圧降下や電力損失を無視できない場合があります。
電圧降下が大きくなると何が起こる？
電圧降下が大きくなると、負荷側で本来想定している電圧を確保できなくなることがあります。
例えば、電源から離れた場所にある照明や電気機器などでは、配線による電圧降下の影響を受ける場合があります。
電圧降下によって負荷側の電圧が低下すると、機器によっては正常な性能を発揮できなくなったり、動作に影響が出たりする可能性があります。
ただし、実際にどの程度の電圧降下が問題になるかは、電気設備の種類や負荷、機器の仕様などによって異なります。
そのため、「電圧が少し下がったら必ず故障する」という単純な話ではありません。
電圧降下と電線サイズの関係
電圧降下を小さくする方法の一つが、適切な電線サイズを選定することです。
電線のサイズを大きくすると、同じ材質・長さで比較した場合、電線の抵抗を小さくできます。
抵抗が小さくなれば、
Vd＝IR
の関係から、同じ電流が流れた場合の電圧降下も小さくなります。
ただし、電線サイズは電圧降下だけで決めるものではありません。
実際の電気工事では、許容電流、配線方法、周囲温度、電圧、負荷の種類、保護装置など、さまざまな条件を考慮して選定します。
そのため、電線を太くすれば必ず適切な配線になる、というわけではありません。
電圧降下と「電源電圧が低い」は同じ？
「電圧が低い」という現象だけを見ると、電圧降下と電源側の電圧低下は似ています。
しかし、原因は同じとは限りません。
電圧降下は、電流が電線などの抵抗を流れることによって、その部分で電圧が低下する現象です。
一方、電源そのものの電圧が低下している場合は、電源側の状態や電力系統など、別の原因が考えられます。
そのため、負荷側で電圧が低い場合には、
「配線による電圧降下なのか」
「電源側の電圧自体が低いのか」
を切り分けて考えることが重要です。
電圧降下は第二種電気工事士の勉強にも重要
電圧降下は、電気の基礎を理解するうえで重要なテーマです。
特に、
・オームの法則
・電圧
・電流
・抵抗
・電線
・電力
といった基本事項がつながってきます。
第二種電気工事士の学科試験では、電気の基礎から配線・施工に関する幅広い知識が問われます。
そのため、単に公式を暗記するのではなく、
「電流が流れる」
↓
「電線には抵抗がある」
↓
「抵抗があるため電圧降下が生じる」
という仕組みまで理解しておくと、他の電気の問題にも応用しやすくなります。
電気技術者試験センターが公開している第二種電気工事士試験の試験概要でも、学科試験では電気の基礎や配線設計などが出題範囲に含まれています。
まとめ
今回は、電圧降下について解説しました。
ポイントをまとめると、
・電圧降下は、電流が抵抗を持つ部分を流れることで生じる電圧の低下
・基本的な関係は「Vd＝IR」
・電線が長くなると、一般的に抵抗が大きくなる
・電線の断面積が小さいと、一般的に抵抗が大きくなる
・電流が大きいほど電圧降下は大きくなる
・電線では「P＝I²R」による電力損失も発生する
・電線の選定は電圧降下だけでなく、許容電流や施工条件なども考慮する
電圧降下は、オームの法則だけでなく、電線の選定や電気設備の設計にもつながる重要な考え方です。
電気工事士の勉強でも、電圧・電流・抵抗の関係を理解するための基本として押さえておきたいポイントです。
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