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電流






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交流と直流
  • 電気を送る仕組み。
    電気の流れである電流は電子の集まりで、電線など金属の中を流れる。
  • 電子の流れる方向がいつも同じである状態が直流。
  • 電子の流れる方向が、一定の時間で方向が変わる状態が交流です。


(交流か直流かで、発電の仕組みが違う)
  • 太陽光発電は半導体で電気を作るため直流
    発電機を回す火力や原子力は交流となる。

    交流では発電機の回転数と周波数が同じになる。
      東京:ドイツ製の50㌹
      大阪:米国製の60㌹






コンセントには交流が来ている。
    • 電柱の変圧器で、6600ボルトを100ボルトに
      高い電圧のほうが、ロスが少ない。
    • 電圧が高い方が熱に逃げるロスが減る
      電力=電圧×電流
      100W=5V×20A(電流の大きさが発熱の原因)
      100W=20V×5A

    • 交流は電圧を変えやすい→
      • (一次コイルと二次コイルで)コイルで変圧

      直流では簡単に変圧できない





ACアダプターの働き
  • 高い電圧を下げる
    交流を直流に
    (直流)→
    • 一方方向へ流れる(流れ続けている)

    (交流)→
    • 交互に流れる(行ったり来たりする時に止まる)→蛍光灯




オシロスコープ=電圧の変化が見える
  • 直流はオシロスコープで見ると真っ直ぐに見える。
  • 交流
    • =波の上と下で、行ったり来たりしている。
    • (波の形で交流が見える)

    交流は波の形で見える。
    • 14ボルトの場合、+14と-14の間で波打っている
      波の最大の1/1.4を交流電圧とする。

    交流は振動している。










絶縁体の境界に電流
  • 「東北大学の大友明助手と東京大学のファン・ハロルド助教授らは、絶縁体同士の境目に金属と同じように電気が流れる現象を確認した。作製した絶縁体はともに透明なので、配線として活用すればガラスのように透明な電子回路ができる。
    研究グループは、ストロンチウムとチタンの酸化物でできた結晶の上に、ランタンとアルミの酸化物を分子1層ずつ積み重ねた。両方とも透明な絶縁体だが、ランタンが境目に来るように積み重ねると、境界部分が金属の銅やアルミと同じ程度電気を流したという。2004年1/29のネイチャーに掲載。」

絶縁体の物質で電気信号を伝える
  • 2010年、東北大学金属材料研究所や慶応大学などのチームは、電気を通さない絶縁体の物質で電気信号を伝える実験に成功した。
    絶縁体にある電子の自転現象(スピン)が周囲に広がり、信号として取り出せた。電流が不要になり、原理上は発熱の電力損失がゼロという。
    大規模集積回路(LSI)に応用すれば、消費エネルギーを8割減らせる。
    3/11のネイチャーに掲載。
    LSIの配線は、電子が流れて信号を伝える。
    研究チームが見つけたのは、電子自体は流れなくても電子のスピンが次々ととなりへ伝わる現象。
  • 波のような動きに信号の伝達役を担わせる仕組み。
    イットリウムや鉄、酸素を含む絶縁体「磁性ガーネット結晶」の両端に、白金の電極を張り付けて実験した。一方の電極に電気を流すと、1mm離れた電極に信号を表す電圧が生じた。
  • 絶縁体なのに電気信号が伝わった理由を調べると、電流に応じて電子のスピン波と呼ぶ状態が変化。電気信号が絶縁体中ではスピン波に代わり、電極部分でふたたび電流に変わる現象が起きていた。

地球深部の鉱物
  • 「東京工業大学の広瀬敬教授らは、地球内部のマントルの一部に、他よりも極めて電気を通しやすい鉱物があることを突き止めた。
    成果は2008年4/4のサイエンスに発表。
    マントルの最も深い、地下2600~2900kmの場所は、マグネシウムや鉄・ケイ素酸化物で出来た鉱物が占めていることが知られている。
  • この鉱物の組成を人工的に再現、大型放射光施設(SPring-8)を使い高温・高圧の条件に保ち電気伝導度を測った。
    その結果、浅いところで見つかる鉱物より、桁違いに電気が流れやすかった。
    マントル深くで電気が流れやすいと、液体金属でできた地球の芯(コア)との間で電磁力が働く。
  • 広瀬教授は“地球の自転速度を変える力となり、1日の長さが数ミリ秒単位で変動する様子も説明がつく”と語る






セメントから半導体ガラス
  • 2011年、東京工業大学の細野秀雄教授と金聖雄特任准教授らは、電気を通さないセメントから電流が流れる半導体のガラスを作ることに成功した。
  • 原料は強化セメントの一種であるアルミナセメント。
  • セメントは絶縁体だが、真空装置に入れて結晶を構成するカルシウムとアルミニウム、酸素からなる直径約0.44ナノ㍍のカゴの中の酸素イオンを電子に置換。さらに1230℃以上で液体にし、急速冷却することで半導体のガラスができた。
  • このガラスはアルミなど一般の金属より低いエネルギーで電子が外に飛び出す。
  • 細野教授らは2003年、セメントから金属と同様に電気が流れる結晶を作ることに成功。2010年は、旭硝子と共同で、消費電力が従来比3割低い蛍光灯の開発にも成功している。









アンチバング効果
電子物理の原理を実証
  • 電流として連続的に流れている電子は、必ず1個ずつ規則的に離れて存在している(アンチバング効果)。

  • NTT基礎研究所の山本喜久主席研究員らの研究グループが物理の基本原理を実証することに世界で初めて成功した。
    この基本原理は40年以上も前に理論的に予言されていたが、実験で証明することが困難とされてきた。今回の成果でミクロの世界の原理を示す量子力学の考えが正しいことを確認できたことになる。

  • 電子は『フェルミ粒子』と呼ばれる素粒子の一種で、粒子同士が重なることが出来ないとされている。このため、電流の電子は、1個ずつ規則的な流れになる「アンチバング効果」と呼ばれる現象が起きる。

  • 研究グループではこの現象を実証するため、半導体製造技術を利用して実験に適した理想的な状態の電子を作り出し、1個ずつ存在することを確かめた。
    研究グループの実験手法はガリウムヒ素膜とアルミニウムガリウムヒ素膜の境界面に閉じこめられた電子を極低温下で集めて高密度の電流にし、2方向に分岐させる。それぞれの電流強度の相関を調べれば、電子が1個ずつ存在することが分かるとした。









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