### CAMPHOR-CL Notebook 序章 part2

# 電気回路に関わる概念

ここでは、電流・電圧などの回路に欠かせない概念を説明します。

## 回路
基本的に、電気回路は閉じたループをなしています。
これは、基本的にはどの素子も流れ込む電荷と流れ出す電荷が変わらないからです。
なので、電荷が出ていく道と電荷が入ってくる道がともに用意された、回路という形でのみ、各素子は動作することになります。

具体的には、回路は、回路素子、導線、電源などから構成されます。

## 電荷・電流
電荷($q$)は、物体が帯びた電気の量のことです(単位: C(クーロン))。
電荷を帯びた物体(これも電荷と呼んだりする)は、電荷と電磁場に比例する力を受けます。

電流($I$)は、単位時間(1秒間)に移動した電荷の量です(単位: A(アンペア))。回路の場合は、素子の各端子に流れこむ(流れだす)電荷の量、ということになります。
電流は基本的に以下のように表せます。
$I = \frac{\mathrm{d}q}{\mathrm{d}t}$

## 電場・電圧
電荷は常に、電場(電界)に比例する力を受けます。
また、電荷を帯びた物体に電場が及ぼす力(電気力)は保存力です。
保存力とは、簡単にいうと以下のように位置エネルギー(ポテンシャル)を定義できる力のことです。
$U = -\int^{r_2}_{r_1}\vec{F}\cdot\vec{\mathrm{d}r}$
ここで、$\vec{F}=q\vec{E}$と表せるため、$U$も電荷に比例する値になります。
そこで、単位電荷(1C)あたりの電気力によるポテンシャルを電位(単位: V(ボルト))と定義します。
電圧は電位の差を指します(ここは人によってばらばらで、しばしば混用されます)。

### グラウンド
一般に、ポテンシャルを考える際はその基準となる点が重要になります。
電位に関してもその例にもれず、基準点が必要です。それがグラウンドです。
グラウンドは0Vの基準であり、変動しない必要があります。ノイズ対策などにおいても大変重要な概念です。
このグラウンドも、どの程度の規模でとるのかによって記号が変わるそうです。

グラウンドと似た概念にアースがあります。アースは、電位の基準たるグラウンドを地面にとろう、というわけです。
家電の漏電対策についている緑と黄色のあのワイヤがアースですね。
具体的には、電極を地面に刺します。
地面に刺すことが重要です。**土に刺せばいいってもんじゃないです。**
ただ、地面とグラウンドの間の抵抗をなくすのは困難なようで、現場ではいろいろ苦心されているようです。

## 電源
回路にエネルギーや信号を供給するものです。
電池であったり、発電機であったり、あるいはアンテナなどの信号源だったりします。
回路を解析する上では、電源は極力、どんな状況でも電圧/電流が変化しない、定電圧源/定電流源として扱いたいものですが、現実にはそううまくはいきません。
回路のエネルギー源としての電源は、基本的に定電圧源に近いふるまいをしますが、多くの電流を流そうとすると、電圧が維持できなくなることが多いです。

このようなふるまいは、<a href="https://hackmd.io/3_QUDXX2QhKl-8O4R8rOPQ#テブナン・ノートンの等価回路">重ね合わせの項</a>で述べる、テブナンの等価回路を用いて以下のように表せます。
電源に直列に接続される抵抗を電源の内部抵抗といい、電流を多くとったときの電圧の減り具合を示す値になっています。

※もちろん、電源の動作原理などによって電圧ー電流特性は異なります。発電機にはインダクタンス成分が含まれていたり、電池は化学的な理由からさまざまな特性を持っていたりします。

### コラム　実際に目にする回路
回路解析の文脈では、回路図を相手にすることが多く、実際の回路のイメージがあまり掴めないかもしれません。
ここでは、実際に回路はどのように実装されているのか、簡単に紹介します。

#### プリント基板(PCB)
多くの場合、回路はプリント基板上に組まれています。
パソコンを壊したときに出てくる緑色や青色の板です。
最近では格安の中華業者が出てきて、個人でも作りやすくなりました。
導体は基本的に銅が用いられていて、酸化を防ぐため表面は樹脂でコーティングされています。
表裏の面だけでなく、その間にも導体の層がある多層基板がメジャーです。

#### ユニバーサル基板
電子工作には欠かせない存在ですね。
基板に多数の穴が開いていて、その周囲にはんだ付けできるようにランド(電極)があります。
配線は自力で行うのですが、配線が交差しないようパーツを配置するのがパズルのようで楽しい、という声もききます^[要出典]

#### ブレッドボード
これまた穴がたくさん空いた板です。
両端の電源ラインは長手方向に、それ以外の穴はそれに垂直な方向に中で配線が繋がっています。
ピンを挿すだけで気軽に回路が組める、実験にはもってこいの部品です。

昔はパン捏ね台に釘を打ったものを使っていたようで、これが呼称の由来になっています。

#### IC, LSI
集積回路、という言葉は聞いたことがあると思います。
半導体の板(ダイ)の上にうまくパターンを転写し、ドーピングなどの処理を行うことでトランジスタやダイオードだけでなく、抵抗やキャパシタなどの素子を含む回路を作ることができます。
これによって、スペースやコストの大幅な削減が可能となり、CPUなどの大規模な回路が実装されるようになりました。

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