電気の単位と量の基礎

ボート関連の一般誌で、よくわかっていないライターが電気の数値や量をごちゃまぜにしている記事には、もううんざりです。

おそらく電気の単位が、長さや速さ、距離に使う単位とはちょっと勝手が違うからなのでしょう。

そこで、どうやら混乱を招きがちなこのテーマについて、ささやかながら整理を試みてみます。海の世界にふさわしく、電流を円形のパイプを流れる水の流れにたとえて説明します。

まずは少し理論から

いちばんなじみのある3つの単位から始めましょう。

• 電圧 - 電子がAからBへ流れようとする「勢い」のことです。今回のたとえでは、パイプ内の水圧に相当します。
• 電流 - 単位時間あたりに導体を通過する電荷の大きさ(量)です。たとえでいえば、川やパイプの流量に当たります。流量はふつう1秒あたりの立方メートルで測りますが、同じように電流は1秒あたりのクーロンで測ります。1アンペアの電流は、1秒あたり1クーロンと定義されています。ここが大事なポイントで、電流は派生量なのです。1クーロンとは、要するに電子の大きなかたまりで、その数はおよそ6.241 x 1018個です。
• 電気エネルギー - そもそも船に電気を積んでいる目的がこれです。電力こそが機器(ウインチ、コーヒーメーカー、電球)を動かすものです。たとえでいえば、パイプ内の水からタービンが取り出せる動力の量に当たります。これは流量と圧力の積です。同じように、電気回路の電力は電圧と電流の積になります。単位で書くと、ボルト×アンペア=ワット(V * A = W)です。(エンジニア仲間へ:本来は U * I = P と書くべきなのは承知していますが、これ以上話をややこしくするのはやめておきます。交流の位相の話も、同じ理由で持ち出しません。)

注意してほしいのは、電圧と電流はしょっちゅう使われるものの、体積や長さのような基本単位では「ない」ということです。特に電圧は、電荷をAからBへ動かすのに必要な総エネルギーを、その電荷の大きさで割ったものとして定義されています。電流もまた派生量です。電気の世界での基本単位は、クーロンで測る電荷なのです。

容量の話になると、混乱はさらに深まります。とりわけ、電荷を溜めておく容器、一般にはバッテリーと呼ばれるものの容量です。ここまでの話からすれば、バッテリー容量はクーロン、つまり電子をいくつ蓄えられるかで測るのが筋だと思うでしょう。ところが残念なことに、歴史的にはアンペアアワーが使われてきました。1アンペアアワー(Ah)とは、1アンペアの電流が1時間(3600秒)流れることです。1アンペアは1秒あたり1クーロンですから、1 Ahは3600クーロンになります。

同じように、何時間かにわたって使った電力の総量が、どれだけ充電し直す必要があるか、あるいは電力会社からどれだけ買う必要があるかを決めます。これは歴史的に(キロ)ワットアワーで測られてきました。1.2 kWh = 1200 Wh = 1200ワットを1時間です。この電力を一般的な12 Vのバッテリーバンクでまかなうとすると、(V * A = W、したがって A = W / V、したがって Ah = Wh / V)1200/12 = 100 Ahとなります。

よくある間違い

オランダの雑誌「Zeilen」の記事をひとつ取り上げて、どこが間違っているのか見てみましょう。2010年5月号の記事「Geen beweging, toch stroom」(動かなくても電気はできる)は燃料電池を扱ったもので、典型的な間違いの例がいくつも出てきます。

まず小さな間違いとして、筆者が1.5~2.2 kWhの能力を持つ……ガス発電機について述べている一文があります。kWhというのは、ある時間にわたって供給される電力の量です。発電機の大きさは電力、つまり(キロ)ワットで表すもので、キロワットアワーではありません。

続いて筆者は、EFOYの燃料電池で使われている、確かにわかりにくい(でも正しい)表記について論じています。EFOYは自社製品を、1日(24時間)あたりに供給できるワットアワーの量で表示しています。正直なところ、単純にワットで表したほうがわかりやすいでしょう。筆者はこれを次のように書いています。600から2200 Watt/h per dayまで5つのモデルがあるが、これはかなり奇妙で誤解を招く表記だ。本当の性能を知るには、この数値を24で割る必要がある。EFOY 2200の場合、12ボルトで最大7.5 Ahの電流ということになる。 痛たた……。正しくはワットアワーで、ワット毎時(Watt/h)ではありません。それに、7.5 Ah(アンペアアワー)ではなく7.5 A(アンペア)のはずです。

それはさておき、次の段落では、Protonex M-250C燃料電池が毎時250ワットを供給すると書かれています。たぶん250ワットと言いたかったのでしょう……。

そして最後にもうひとつ。イタリアのActa社は、8時間にわたって100、200、または1000ワットの能力を持つ燃料電池を供給している。 これもまた、「毎時何ワット」という言い方に意味はありません。

こんな誤情報を雑誌に吹き込まれているのですから、電気のことで混乱しているボート乗りが多いのも無理はありませんね。

注: このページは、私の以前のブログ(URL http://yachtelectronics.blogspot.nl/2010/05/basics-of-electrical-units-and.html)から転載したものです。