電気解説スライド一覧

この記事では、SNSで紹介した解説スライドを大まかに分類し纏めてあります。

目次からお好きなところへ飛んでいただければと思います。

特大画像

電工二種『直流回路』

電工二種『交流回路』

『三相誘導機』

『三相同期電動機』

『三相同期発電機』

電磁気

古典電磁気学の歴史

紀元前タレスの静電気現象の発見から、マクスウェル方程式の完成による古典電磁気学の確立までの大まかな流れを作成しました。年数は参考資料によって若干異なっていたりするので不正確であった場合は、申し付けください。

クーロンの法則

クーロンの法則は1785年（仏）シャルル・ド・クーロンによって証明されました。が、実は1772年（英）ヘンリー・キャベンディッシュによって既に発見されていました。オームの法則に引き続き、クーロンの法則も先行して発見していた恐ろしい天才ぶり。

ビオ・サヴァールの法則

この法則は1820年（仏）ジャン＝バティスト・ビオと（仏）フェリックス・サヴァールによって発見されました。ビオ・サヴァールの法則からアンペールの法則を導出でき、穴埋め形式で電験一種理論にて出題されています（H25）。

電磁誘導の法則

電気回路

電気抵抗Rを求める式

抵抗率$ρ$,断面積$A$,長さ$L$にて成り立つ公式。どれが分母分子か忘れてしまった時、すでに持っているの感覚で組み立てる事ができます。長さと断面積は「水流モデル」の考え方で、電流の流れを水の流れに置き換えて考えると分かりやすいでしょう。そこに材料による違いを考慮すれば完成。この考え方は、もっと複雑な公式でも使えることがあります。

分圧の式

分流の式

電気工事士試験にも出題される電気回路の基礎。電気回路学習の初期段階は「水流モデル」などを活用して想像力を働かせる事が重要だと思います。R1ホースとR2ホース。片側のホースを潰すと潰した方と反対側に水は多く流れます。身近なものとリンクさせ、暗記事項を減らす技術です。

キルヒホッフの法則

キルヒホッフの法則は、1849年に（独）グスタフ・キルヒホッフによって纏められました。第一法則（電流則）と第二法則（電圧則）から成る法則であり、オームの法則と並んで重要度が高い基本的な法則です。問題を沢山解いて身体に叩き込みましょう。

ジュールの法則

この法則は1840年（英）ジェームズ・プレスコット・ジュールによって発見されました。送配電の過程でも発生します。電力系統の発展は、この損失をいかに低減するかが１つの課題でもあり、現在までに様々な工夫がされてきました。超伝導（電気抵抗が0になる）が注目される大きな要因の１つです。

テブナンの定理

テブナンの定理の始まりは1853年(独)ヘルマン・フォン・ヘルムホルツが始まりとされています。そのため「ヘルムホルツ-テブナンの定理」や、テブナンと関係なく独自で発見した鳳秀太郎の名をとって「鳳-テブナンの定理」など様々な呼び名があります。

正弦波交流の実効値を求める式

実効値(rms)を求める式は、

・root⇨平方根
・mean⇨平均
・square⇨二乗

を覚えておけば、思い出しやすいです。式変形時のポイントを右に書きましたので是非参考になればと思います。

コンデンサ回路

平行平板コンデンサの構造と静電容量の式

コンデンス(condense)は「コンデンスミルク」にも使用されるように、”濃縮する、凝縮する”といった意味があります。静電容量の式を思い出す際には、この語源をイメージすると覚えやすいです。極板面積Sが大きく、極板間距離dが小さいほど静電容量は大きくなります。

コンデンサの直列接続

コンデンサ回路を考える時には、「電荷がどうなっているのか」をイメージすると良いと思います。直列接続の場合、各コンデンサに蓄えられる電荷が等しいことから、合成静電容量を求める式を導出することができます。

極板間距離$d[m]$のみが異なるコンデンサが直列に接続された場合、以下のように「各コンデンサの極板間距離を足した１つのコンデンサ」と見なすことができます。

補足として、

・極板面積$S[m^{2}]$のみが異なる場合
・誘電率$ε(=ε_{0}ε_{r})$のみが異なる場合

の合成静電容量を求める式を示します。極板間距離のみが異なる場合と比較して、綺麗な式にはなりません。

コンデンサの並列接続

コンデンサの並列接続における合成静電容量を求める式は、「回路全体に蓄えられる電荷は、各コンデンサに蓄えられる電荷の和」であることから導くことができます。

コンデンサの並列接続において、各コンデンサの極板面積$S[m^2{}]$のみが異なる場合、以下のように「極板面積を合成した一つのコンデンサ」と考えることができます。

補足として、

・極板間距離のみが異なる場合
・誘電率のみが異なる場合

の合成静電容量を求める式を示しておきます。

コンデンサの電圧と位相

過渡現象

RL直列回路

過渡現象も難しい分野ですが、二種一種の一次試験は誘導付きなので慣れれば問題無いとは思います。コイルやコンデンサが時間の経過に対してどのように振る舞うのか理解していれば、簡単な回路であればグラフの形も直ぐに分かると思います。

RC直列回路

Y（スター）結線、Δ（デルタ）結線について

Y結線とΔ結線のベクトル図

記憶力に自信のない私は、直ぐに線電流と相電流の位相関係や大きさの関係を忘れがちです。なので度々ベクトル図を描いて関係を確認していました。ベクトル図を暗記している人や、関係を暗記している人など様々かと思いますが、私のやり方を参考までに載せておきます。

YーΔ変換

スターデルタ変換は一種二次の地絡の問題でよく使用した記憶があります。それぞれの抵抗が等しい場合、画像右下のように「痩せる」「太る」で簡単に覚える事ができます。公式の記憶が曖昧な時、それぞれ同じ値を代入して1/3倍or3倍になるかで検算してみるのもアリかと思います。

下図の回路においてデルタ結線からスター結線に変換した時、容量性リアクタンスはデルタ結線の時の1/3倍となり、静電容量は元の3倍となります。静電容量が何故3倍になるのかは、以下のように導く事ができます。

資格試験について

電気・設備系資格試験の一部を紹介【2023年作成】

これまでもこれからも産業を支え重要度の増す”電気”とその設備。資格試験の認知度向上の為にも、数多ある電気設備系資格を簡単にまとめてみました。勿論、数が多いので全てではありませんが、これを機に調べてみると発見があります。私にも知らない資格が沢山ありました。

電気主任技術者

電力科目

力率改善

同一の消費電力[W]であった場合でも力率の良し悪しによって電流値が変わってきます。力率改善によって電流値が減少すると、

・電圧降下の低減
・電力損失の低減

等のメリットが得られます。昨今より重視されているエネルギーの有効利用の観点でも、力率改善は重要です。

配電方式ごとの損失と電圧降下の違い

各種配電方式の電圧降下計算や配電線損失の計算は、電気工事士試験にも出題されます。単相3線式は中性線に流れる電流が0の場合、中性線による電力損失は0になるので上下の２線の損失を考慮すれば良いことになります。三相３線式は「√3」と「３」が混合しないよう注意しましょう。

対称座標法

電験一種・二種にも出題される系統解析技術ですが、1918年ウェスティングハウス社のフォーテスキューによって考案されました。その後、東工大教授も務めた別宮氏等の活躍もあり、当時の日本は対称座標法で世界をリードしていた様。難関分野ですが、100年の歴史を愛しましょう。

フェランチ効果

フェランチ効果は、セバスチャン・フェランティ(1864~1930)によって発見されました。フェランチ効果は、軽負荷時に充電電流の影響によって送電端電圧よりも受電端電圧の方が高くなる現象を言い、電験にも頻出される重要ワードです。

水トリー現象

水トリーによる絶縁破壊が時折注意喚起されます。ケーブルの絶縁体中に侵入した水と異物やボイド、突起などに加わる局部的な高電界との相乗作用によって、トリー状の欠陥が生じ絶縁劣化が生じます。”トリー(tree)状”ということで水トリーです。製造工程での異物混入や隙間の発生も原因となります。

表皮効果

表皮効果は1887年（英）ウィリアム・トムソンによって説明されました。これは「周波数が高い時、導電性が高い時、透磁率が高い時、電流は導体表面に集中して流れる」事を示しています。送配電においては損失となりますが、高周波による表面加熱、磁気シールド等に活用する事ができます。

揚水発電

頻出される公式ですが「各種効率（$η_{W},η_{G}$ or $η_{P},η_{M} $）に比例か反比例か」を忘れがち。その時は”効率が良い”ということがどういう事なのか考えると分かりやすいです。

・発電機の場合 効率が良い→出力up⇨比例
・電動機消費電力の場合 効率が良い→少ない消費電力で済む⇨反比例

と考えることができます。

機械科目

誘導電動機

誘導電動機の始動トルクは、導出したトルクの式に(s=1)を代入ると求められ「始動トルクは印加電圧の2乗に比例する」という関係が得られます。スターデルタ始動の際に「始動トルクが1/3になる」事もここから導かれます。スターデルタ始動法の詳細は後日。

誘導電動機には様々な始動法がありますが、目的は「始動電流の低減」です。始動電流を低減することで電圧変動等の不具合を防止します。YーΔ始動法は、始動時にY結線、一定時間後にΔ結線とし始動電流を1/3に低減します。回路図は穴埋め形式で一種電工でも出題されています。

同期発電機

同期発電機の無負荷飽和曲線と短絡特性曲線についてのスライドです。短絡比を求める際に使用することの多いグラフですので、各用語の確認をしておきましょう。

短絡比は定義をしっかり覚えておくことをお勧めします。