【初心者向け!】電気の抵抗とは?電車の制御にも重要だった!

【初心者向け!】電気の抵抗とは?電車の制御にも重要だった!

こんにちは!今回は電気の抵抗についてお話します。

疑問を持つ子

電気の抵抗ってどういう意味??

悩む子

勉強してるけどよく分からない

こんな悩みを解決したいと思います!
抵抗とは簡単に言うと、電気の流れにくさになります。

シモ

流れやすさではないことがポイントです

電気の抵抗について理解することは電車の仕組みを知る上でも大切なので、ぜひ理解しておきましょう!

この記事でわかること
  • 電気の抵抗とは?
  • 電気の抵抗を決める4つの要素とは?
  • 電気の抵抗が、電車の仕組みを理解するうえで大切な理由

電車整備士歴10年、第2種電気工事士免許も所持している筆者が解説します!

それでは、よろしくお願いします!

目次

電気の抵抗とは?

電気の抵抗とは、電気の流れにくさを表す数値になります。流れやすさではないことにご注意ください。

記号で表すとR(抵抗を意味する:resistance)を用いて、単位はΩ(オーム)になります。

この抵抗Rの値が大きいほど、電気は流れにくいということになります。

例えば、道路に車が走っている状態をイメージしてください。

  • 車の数が多いほど、車は進みづらい ⇒ 電気だと抵抗が大きい状態
  • 車の数が少ないほど、車は進みやすい ⇒ 電気だと抵抗が小さい状態

こんなイメージになります!お分かりいただけましたか?

電気の抵抗とはなにかが分かったところで、抵抗はどのように決められるのでしょうか?ここからは

  • オームの法則
  • 電気の抵抗を決める4つの要素

についてお話していきます!

オームの法則を用いた電気の抵抗の求め方

電気の世界では

  • 電圧E(電気を流そうとする力)
  • 電流I(電気の流れる量)
  • 抵抗R(電気の流れにくさ)

の3つの要素があり、それぞれの関係性を表したものをオームの法則と呼びます。オームの法則では以下のような関係が成り立ちます。

R = E / I
E:電圧、I:電流

電圧が一定の場合、電流(流れる電気の量)が少ないほど抵抗は大きくなります。言い換えると、抵抗が大きいほど電気の流れる量が少ない=流れにくいということになります。

詳しくは電気の基本!電流・電圧・抵抗の関係とオームの法則とは?で解説しております。

続いて抵抗の大きさを決める4つの要素についてお話していきます!

電気の抵抗を決める4つの要素

それでは抵抗値はどうやって決まるのか。それは以下の4つの要素が関係しています。

  • 物質の種類
  • 温度
  • 断面積
  • 長さ
シモ

順番に見ていきましょう!

電気の抵抗を決める要素①物質の種類

電気を良く流す物体を「導体」と言いますが、この導体がどんな素材で出来ているかによって抵抗(電気の流れにくさ)は変わります。例えば電線によく使われる素材だと抵抗値は

銀 < 銅 < 金 < アルミニウム

となっています。抵抗が大きいアルミニウムが1番電気が流れにくく、銀が1番電気が流れやすいです。このように物質の種類によって電気の抵抗の大きさは変わります。

シモ

ちなみに他の素材と比べて安価なため、一般的には銅線が多く普及しています

電気の抵抗を決める要素②温度

一般的な金属の場合、温度が上昇すると抵抗が大きくなります。

これは、温度が上がる事により金属の原子が振動する事で電子の移動を妨げてしまうためです。

電気の流れは電子の移動なので、電子の移動が妨げられてしまうと、電気は流れにくくなってしまう=抵抗が大きくなる状態になります。

電気の抵抗を決める要素③断面積

導体の断面積が小さいほど、抵抗が大きくなります。

これは水道をイメージしてください。細い管だとあまり水が流れませんよね?

それと同じです!

断面積の違いによる電気の抵抗のイメージ
断面積の違いによる電気の抵抗のイメージ

電気をたくさん流したい場合は、断面積の大きい(=太い)導線を使用します。

電気の抵抗を決める要素④長さ

導体の長さが長いほど、抵抗は大きくなります。

これも水道に置き換えると、長い管の方が管との摩擦などが増加して水は流れにくくなってしまうことと同じです。

導体の長さの違いによる電気の抵抗のイメージ
導体の長さの違いによる電気の抵抗のイメージ

以上が抵抗を決める4つの要素です!

ここからは電車の仕組みを理解するのに、電気の抵抗について知っておくべき理由についてお話しします!

電車の仕組みを理解するのに、電気の抵抗について知っておくべき理由とは?

なぜ電車の仕組みを理解するうえで、電気の抵抗について知っておくべきなのでしょうか?それは

  • 電車には電気の抵抗を利用した機器がある
  • 電車には電気の抵抗を利用した速度制御方法がある
  • 電車の安全を守るためには抵抗への理解が必須

の3点になります。順番に見ていきましょう!

電車には電気の抵抗を利用した機器がある

電車には電気の抵抗を利用したサービス機器があります。それは「座席ヒータ」です!

電気は抵抗を通る事で熱を発します。これは人間がせまい道を通ると汗をかくようなイメージですかね。電気エネルギーが熱エネルギーとして変換されてしまいます。

抵抗が大きいほど発生する熱は大きくなります。

通常この熱は損失(ロス)とされるのですが、熱をあえて発生させることで日々の生活に役立てているものもあります。例えば、パンを焼くときに利用するトースターです。

トースターの中には蛇のように線がうねうねしていませんか?

実はあそこに電気を通していて、それによって発生する熱を利用してパンなどを焼いています!

同じように、電車の座席の下にも電線がうねうねと入っていて、電気を通すことで熱を発生させています。その熱のおかげで、冬の寒い時期でも電車の座席は温かくなっています!

座席ヒータと仕組みは違いますが、電車の空調(エアコン)の仕組みについて解説した記事もありますので、ぜひ合わせてご覧いただければと思います。

電車には電気の抵抗を利用した速度制御方法がある

電気の抵抗は電車の制御、速度コントロールにも活用されています!

電車を発車させるときは、抵抗をたくさん通る回路にしておきます。その後スピードアップさせるにつれて、回路のスイッチを入れて短絡させていく(電気は流れやすい方に流れるので、抵抗がない方を流れる)ことで、モーターに流れる電圧を抵抗の数を調整することで変化させていき、速度をコントロールしています。

この制御方式を抵抗制御といい、古いタイプの電車で活用されていた方式です(抵抗による熱がロスになってしまうのがデメリット)。

電車の抵抗制御の回路イメージ
電車の抵抗制御の回路イメージ

抵抗制御の詳しい制御方法の仕組みについては別の記事で解説しておりますので、ぜひ合わせてご覧いただければと思います。

電車の安全を守るためには抵抗への理解が必須

電車は非常に高圧の電気を使って走らせています。でもなぜ電車に乗っていても感電しないのでしょうか?

シモ

それは絶縁抵抗が確保されているから!

絶縁抵抗とは、電気が流れてほしくないところにどれだけ電気が流れているかを表す値になります。

電気を通す物体を「導体」と言い、その反対を「絶縁体」と言います。しかし実際には絶縁体は電気をまったく通さないわけではなく、抵抗が非常に大きいため、限りなく微量の電気を流す物体となります。

電車においても、「電気が流れてほしくないところがきちんと絶縁されているか=規定値以上の絶縁抵抗値が取れているか」を測定することで、感電しない状態を担保しています。絶縁抵抗も単位はΩ(オーム)を用います。

これを「絶縁測定」と言い、電車整備士の仕事においても安全を確保するうえで非常に重要な仕事となっています。

電車に乗っても感電しない理由を詳しく解説した記事もありますので、ぜひ合わせてご覧いただければと思います。

まとめ:電気の抵抗とは何かを知り、日常の役に立てよう!

今回は電気の抵抗とは?について解説しましたが、いかがでしたでしょうか?

電気に馴染みのない方は最初は理解するのに苦労することかと思います。ぜひまた復習をしていただき、少しずつ理解していってくださいね!

学校の理科の授業や電気工事士試験などの参考になれば幸いです。

身近なものの仕組みを考えることは非常に面白いので、ぜひいろいろなことに興味をもっていただき、何かの役に立てていただければと思います!

シモ

最後まで読んでいただき、ありがとうございました!

電車を好きになろうブログでは、鉄道マン歴10年の筆者が鉄道に関することを記事にしております。

ぜひ他の記事と合わせて鉄道に興味を持っていただけたら幸いです!

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