電流計は電圧計だ

電流計は電圧計だと言えば、電圧計は電流計だと言うことになる。電圧計の意味は電気の眞相(3)-電圧と負荷ーで電圧計と内部回路に示した。電流や電圧はすべて空間に存在するエネルギーとその伝送現象を科学技術概念として規定した計測量である。エネルギーの発生と消費を科学技術の現代社会基盤に据えてその利用形態概念として確立して来た。電圧計も電流計も直流なら可動コイル型、交流なら可動コイル型にダイオードを組み合わせた整流器型あるいは可動鉄片型が汎用計器として使われている。それらの計器の測定技術は計器内のコイルの貯蔵エネルギーに依る磁気的力を利用している。

可動コイル型可動コイル型 電圧計も電流計も磁石の間のコイルに電流を流してフレミングの力を利用している。図の磁気の極性は内側と考えてください。コイル電流と言いますが、実際はコイルの周りの空間に貯蔵されるエネルギーの回転流だ。その様子を図示すれば、

可動コイル型電圧計とエネルギー流コイルエネルギー流と磁石エネルギー流間の近接作用力 電圧の説明の図であるが電流と同じ作用。そこで標題で電流計は電圧計だと言った意味を説明したい。

写真097負荷と電流計 可動コイル型計器で考える為直流電源とする。線路に多くの負荷が接続された中で、その回路の電流を知りたいところに電流計を繋ぐ。その接続した電流計は何を計測するのかと言うことを知らなければならない。その為には電流計の内部回路を理解しなければならない。電流計もその測定したい回路電流の流れる電線路に直列に接続する。或る物を計測するには、その現象の中の一部のエネルギーを取り込まなければ、計測することは出来ない。電流計が幾ら内部抵抗が無視出来るほどであるとしても、負荷に対して直列に電流計自身が負荷として加味されるのである。電流計の内部回路とその計測機能を考えて見よう。

写真099内部回路と電圧 一つの電流計Aが負荷Pの電流を計る為に接続されている。内部回路は抵抗とコイルの並列回路である。磁石内の可動コイルは微弱電流しか流せない。そこで、負荷電流ipの殆どを流す為の並列抵抗(抵抗値ほとんど零のシャント抵抗) r を組み込む。その抵抗の値を切り替えて、電流の測定範囲(レンジ)を変更する。それでも回路には負荷に直列に抵抗が繋がる。だから、電流計はその微弱抵抗に掛かる電圧を計測のエネルギー源としているのだ。さて、可動コイルLは細い電線のコイルであるから、必ず抵抗 r’ を含む。コイルは直流電圧に対して、電圧を受け付ける事は出来ないから、必ず抵抗が含まれなければならない。電流計に掛かる電圧値Vi は結局並列抵抗(r,r’)の合成抵抗として負荷電圧を取り込む。結局可動コイルには、直流電圧の積分値としての過渡現象分のエネルギーが貯蔵される訳である。それは、前に電気回路要素Lの機能とエネルギー感覚で述べた事である。コイルのエネルギーはコイル空間内に貯蔵されるのであって、決して電流がそのエネルギーを保持するのではない。貯蔵されるのはコイル空間内のエネルギー流である。電流計、電圧計の計測機能は磁石の磁極空間内に生じる磁場と言うエネルギー回転流と可動コイルのコイル内エネルギー流との相互近接作用によって、空間エネルギー力がコイルを制動バネとの釣り合いまで回転させるのである。電流計が指示する測定値 ip は

ip=K(2Wi/L)^(1/2)^

ただし、K=1+(r’/r) の分流定数で可動コイル内の貯蔵エネルギーWi[J]を計測値の基としているのである。全体の電流計の電圧も図のようになる訳だ。

まとめ この記事に電流計の機能をまとめようと考えた理由と意味を述べよう。2年前の2013年6月に、回路とエーネルギー流電流解剖論ーを書いた。その時は直流回路で、負荷供給エネルギーの流れが負側導線からの還流として捉えていた。しかし電圧の系統規模を決める線路間エネルギー分布の意味と統一的に捉えてはいなかった。その時は電圧と電流の二つのエネルギーの流れの曖昧な解釈に留まっていた。今年6月2日の変圧器の奇想天外診断から8月14日の 天晴れ(コイルと電圧とエネルギー) までの考究で確信を得た。それは線路間に分布する空間エネルギーが電圧と言う系統規模を決め、それが負荷供給のエネルギーとなるとの確信に到達した。今回それらの総合的取りまとめとして、直流電源の線路のプラス側であろうと、マイナス側であろうとどちら側に電流計を接続するかには無関係に電流計測が出来ると言うエネルギー流からの疑問解消の解答を得た。その意味を今回の記事として直流電源回路を取上げて解説した。

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