FAQ: 電気とは何ですか?
電気がどのように生成され、どこから来るかについてのチュートリアル。
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電球のフィラメントに電気が流れると、フィラメントが光り始め、光を放ち始めます。オリバー・クリーブ/ゲッティイメージズ
電気とは？
電気はエネルギーの一形態です。電気は電子の流れです。すべての物質は原子で構成されており、原子には原子核と呼ばれる中心があります。原子核には、陽子と呼ばれる正に帯電した粒子と、中性子と呼ばれる帯電していない粒子が含まれています。原子核は、電子と呼ばれる負に帯電した粒子に囲まれています。電子の負電荷は陽子の正電荷に等しく、原子内の電子の数は通常、陽子の数に等しくなります。陽子と電子の間の平衡力が外力によって乱されると、原子は電子を獲得したり失ったりすることがあります。電子が原子から「失われる」と、これらの電子の自由な動きが電流を構成します。
電気 は自然の基本的な部分であり、私たちが最も広く使用しているエネルギー形態の 1 つです。私たちは、一次エネルギー源と呼ばれる石炭、天然ガス、石油、原子力、その他の天然資源など、他のエネルギー源の変換から、二次エネルギー源である電力を得ています。多くの都市や町は、水車を回して仕事をする滝 (機械的エネルギーの主要な源) に沿って建設されました。 100年余り前に発電が始まる前は、住宅には灯油ランプが灯され、食品はアイスボックスで冷やされ、部屋は薪ストーブや石炭ストーブで暖められていました。から始まる ベンジャミン・フランクリンの ある嵐の夜、フィラデルフィアで凧を使った実験を行ったところ、電気の原理が徐々に理解されるようになりました。 1800 年代半ば、電気の発明により、人々の生活は一変しました。 電球 . 1879 年以前は、電気は屋外照明用のアーク灯に使用されていました。電球の発明は、電気を使って私たちの家に屋内照明をもたらしました。
変圧器はどのように使用されますか?
長距離送電の問題を解決するために、 ジョージ・ウェスティングハウス 変圧器と呼ばれる装置を開発しました。変圧器は電気を長距離にわたって効率的に送ることを可能にしました。これにより、発電所から遠く離れた家庭や企業への電力供給が可能になりました。
電気は私たちの日常生活において非常に重要であるにもかかわらず、私たちのほとんどは、電気がなければどんな生活ができるかを考えるのをやめることはめったにありません。しかし、空気や水と同じように、私たちは電気を当然のことと考えがちです。私たちは毎日、家の照明や冷暖房から、テレビやコンピューターの電源に至るまで、多くの機能を果たすために電気を使用しています。電気は、熱、光、電力の用途に使用される、制御可能で便利なエネルギー形態です。
今日、米国 (U.S.) の電力業界は、いつでもすべての需要要件を満たすために十分な電力供給が利用できるように設定されています。
電気はどのように生成されますか?
発電機は機械エネルギーを 電気エネルギー .プロセスは、 磁気と電気の関係 .ワイヤまたはその他の導電性材料が磁場を横切って移動すると、ワイヤに電流が発生します。電気事業で使用される大型発電機には固定導体があります。回転シャフトの端に取り付けられた磁石は、長い連続したワイヤで包まれた固定導電リングの内側に配置されます。磁石が回転すると、通過するワイヤの各セクションに小さな電流が誘導されます。ワイヤの各セクションは、小さな個別の導電体を構成します。個々のセクションのすべての小さな流れは、かなりの大きさの 1 つの流れになります。この電流が電力に使われます。
タービンはどのように発電に使用されていますか?
電力会社の発電所では、タービン、エンジン、水車、またはその他の同様の機械を使用して、発電機または機械的または化学的エネルギーを電気に変換する装置を駆動します。蒸気タービン、内燃機関、ガス燃焼タービン、水力タービン、風力タービンは、発電する最も一般的な方法です。
米国の電力のほとんどは、 蒸気タービン .タービンは、移動する流体 (液体または気体) の運動エネルギーを機械エネルギーに変換します。蒸気タービンは、シャフトに取り付けられた一連のブレードを持ち、蒸気が押し付けられて発電機に接続されたシャフトを回転させます。化石燃料蒸気タービンでは、燃料を炉で燃焼させ、ボイラーで水を加熱して蒸気を生成します。
石炭、石油（石油）、天然ガスを大きな炉で燃やして水を加熱し、蒸気を発生させてタービンのブレードを押します。石炭は、米国で発電に使用される最大の単一エネルギー源であることをご存知ですか? 1998 年には、郡の 3 兆 6200 億キロワット時の電力の半分以上 (52%) がエネルギー源として石炭を使用していました。
天然ガスは、蒸気用の水を加熱するために燃焼されるだけでなく、燃焼して高温の燃焼ガスを生成し、タービンを直接通過してタービンのブレードを回転させて発電することもできます。ガス タービンは、電力会社の需要が高い場合に一般的に使用されます。 1998 年には、国内の電力の 15% が天然ガスによって供給されていました。
石油は、タービンを回すための蒸気を作るためにも使用できます。原油から精製された製品である残留燃料油は、多くの場合、石油を使用して蒸気を作る発電所で使用される石油製品です。 1998 年に米国の発電所で生成された全電力の 3% 未満を生成するために石油が使用されました。
原子力 核分裂と呼ばれるプロセスで水を加熱して蒸気を生成する方法です。原子力発電所の原子炉には、主に濃縮ウランである核燃料のコアが含まれています。ウラン燃料の原子が中性子に当たると、核分裂 (分割) し、熱とさらに中性子を放出します。制御された条件下では、これらの他の中性子がより多くのウラン原子に衝突し、より多くの原子を分裂させることができます。これにより、連続的な核分裂が起こり、熱を放出する連鎖反応が形成されます。熱を利用して水を蒸気に変え、タービンを回して電気を発生させます。 2015 年には、原子力発電は国の全電力の 19.47% を生成するために使用されています。
2013 年現在、水力発電は米国の発電量の 6.8% を占めています。流れている水を使用して、発電機に接続されたタービンを回転させるプロセスです。電気を生成する水力発電システムには、主に 2 つの基本的なタイプがあります。最初のシステムでは、流れる水はダムの使用によって作成された貯水池に蓄積されます。水圧管と呼ばれるパイプを通って流れ落ちる水は、タービン ブレードに圧力を加えて発電機を駆動し、電気を生成します。 2 番目のシステムはラン オブ リバーと呼ばれ、川の流れの力 (落下する水ではなく) がタービン ブレードに圧力を加えて発電します。
その他の発生源
地熱発電は、地表下に埋もれている熱エネルギーから来ています。国の一部の地域では、マグマ (地球の地殻の下にある溶融物質) が地表近くまで流れて、地下水を蒸気に加熱し、蒸気タービン プラントで使用するために利用することができます。 2013 年の時点で、このエネルギー源は国内の電力の 1% 未満しか生成していませんが、米国エネルギー情報局の評価によると、西部の 9 つの州が国のエネルギー需要の 20% を供給するのに十分な電力を潜在的に生成できる可能性があります。
太陽光発電は、太陽のエネルギーから得られます。ただし、太陽のエネルギーは常に利用できるわけではなく、広く散らばっています。太陽のエネルギーを使用して電気を生成するために使用されるプロセスは、歴史的に、従来の化石燃料を使用するよりも高価でした。光電変換は、太陽電池で太陽の光から直接電力を生成します。太陽熱発電機は、太陽からの放射エネルギーを使用して蒸気を生成し、タービンを駆動します。 2015 年には、国の電力の 1% 未満が太陽光発電によって供給されていました。
風力発電は、風に含まれるエネルギーを電気に変換することで得られます。風力発電は、太陽光と同様に、通常、電力を生産するための高価な源です。 2014 年には、全国の電力の約 4.44% に使用されました。風力タービンは、典型的な風車に似ています。
バイオマス (木材、都市固形廃棄物 (ごみ)、および農業廃棄物 (トウモロコシの穂軸や麦わらなど) は、電気を生成するためのその他のエネルギー源です。これらの資源は、ボイラーの化石燃料に取って代わります。木材と廃棄物の燃焼により蒸気が生成され、 2015 年には、バイオマスは米国で発電された電力の 1.57% を占めています。
発電機によって生成された電気はケーブルに沿って変圧器に伝わり、変圧器は電気を低圧から高圧に変換します。高電圧を利用することで、より効率的に電気を遠くまで運ぶことができます。送電線は、電気を変電所に運ぶために使用されます。変電所には、高電圧の電気を低電圧の電気に変える変圧器があります。変電所から、配電線は、低電圧の電力を必要とする家庭、オフィス、工場に電気を運びます。
電気はどのように測定されますか?
電気は、ワットと呼ばれる電力の単位で測定されます。敬意を表して名付けられました ジェームズ・ワット 、の発明者 蒸気機関 . 1 ワットは非常に小さな電力量です。 1 馬力に相当するのに約 750 ワットが必要です。 1 キロワットは 1,000 ワットを表します。キロワット時 (kWh) は、1,000 ワットを 1 時間使用した場合のエネルギーに相当します。発電所が生成する、または顧客が一定期間にわたって使用する電力量は、キロワット時 (kWh) で測定されます。キロワット時は、必要な kW 数に使用時間数を掛けて求められます。たとえば、40 ワットの電球を 1 日 5 時間使用すると、200 ワットの電力、つまり 0.2 キロワット時の電気エネルギーを使用したことになります。
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