「電圧」と「グラウンド(GND)」をゼロから理解する｜2点間の差・電位の基準・なぜ0Vが必要なのか

「電圧」と「電流」の違い、自信を持って答えられますか?

こんにちは、ボーノです。「電気回路の教科書」シリーズのEpisode 5、今回のテーマは「電圧」と「グラウンド(GND)」です。前回までで、部品を通って流れる電気の量「電流」について見てきました。今回はそれと並ぶもう一つの大事な量、電圧に入っていきます。

電圧とは何なのか、よく似ているのに実はまったく別物の電流と、どう違うのか。さらに、各点の電位を数字で読むときに必要になる「基準の点」 — 回路図でよく見かけるグラウンド(GND) という記号の意味まで、まとめて掴んでいきます。

この記事のねらい

最後には3問の確認テスト、おまけで「回路のGNDと家電のアース」の区別も用意しました。

電圧とは — 2点間の差

まずは、「電圧とは何か」から始めましょう。

電圧とは、ひとことで言うと、回路の中の「2つの点の間の電位の差」のことです。よく「電気を押し出す力」というイメージで説明され、この差が大きいほど、電気を勢いよく送り出そうとする、と考えてください。物理的に言うと、電圧は電荷1個あたりに渡せるエネルギーの量に対応しています (Episode 1で見た「電荷」と「エネルギー」が、ここで再会するわけです)。

そして、電圧でいちばん大事なのは、「1つの点だけ」では決まらないということです。かならず2つの点を選んで、その「差」として測ります。

高さの差で考える

たとえるなら、高さの話とそっくりです。建物の2階と1階を考えたとき、「2階の床から1階の床まで、どれだけ高さの差があるか」というのが電圧にあたります。

電圧の単位は ボルト(V) です。たとえば、日本の家庭用コンセントはおよそ100V、乾電池は1.5V、というように使われますね (コンセントは交流ですが、交流の詳しい話は別の回で扱います)。

電流と電圧の決定的な違い

ここがこのチャプターの山場です。「電流」と「電圧」の違いを、はっきりさせておきましょう。名前も似ていて、初心者がいちばん混同しやすいところです。

水で考えると分かりやすいです。電流は、管の中を実際に流れていく水の量。これに対して電圧は、2つの場所の水面の高さの差です。水位の差があるからこそ水が流れる、という関係で、「流れる水の量」と「高さの差」は、まったく別の量ですよね。

基準がないと電位は決まらない

続いては、「基準」という考え方です。

いまお話ししたように、電圧は2つの点の「差」でした。だから、2点を選びさえすれば、基準を決めなくても「この2点の差は何ボルト」と言うことができます。

ところが、「この1つの点は何ボルトですか」と、点ひとつの値を言おうとすると、とたんに困ってしまいます。なぜなら、それも結局「どこかと比べた差」でしか言えないからです。比べる相手 — つまり基準 — を決めないと、1つの点の値は決まらないんですね。この1点の値(基準から測った電気的な高さ) が、さきほどお話しした電位です。

山の高さで考える

これも高さの話とそっくりです。「AさんとBさんの身長差は何センチ」というのは、基準がなくても言えます。でも「この山の高さは何メートル」と言うときは、どこを高さゼロとするかを決めないと言えませんよね。

日本では、海の平均的な水面、つまり「海抜0メートル」を基準にしています。たとえば富士山の3776メートルというのも、この海抜0メートルから測った差なんです。電位もこれと同じで、1点の値を言うには「ここを0Vにする」という基準が必要になります。

グラウンド(GND) = 0Vの基準点

そこで登場するのが、今回のもう一人の主役、グラウンドです。

回路の中で「ここを0Vの基準にしよう」と決めた点のことを、グラウンドと呼びます。英語のGroundを略して「GND (ジー・エヌ・ディー)」と書いたり、「グランド」と呼んだりもします。回路図では、この点に専用のグラウンド記号をつけて、「ここが基準ですよ」と示します。

さっきの高さの話でいえば、グラウンドは「回路の中に決めた、海抜0mの基準面」のようなものです。どこか1点に「ここが0Vだ」という旗を立ててあげる。そうすると、ほかのすべての点の電位を、その旗からの高さとして読めるようになります。

基準を決めて各点の電位を読む

それでは、実際に基準を決めて、各点の電位を読んでみましょう。1.5Vの乾電池を例にします。

基準1: マイナス側を0Vにする(一般的)

マイナス側の点をグラウンド(=0V)と決めると、プラス側の点は、そこから1.5V高いので、+1.5V と読めます。これで2つの点の電位が、数字ではっきり言えるようになりました。

基準2: プラス側を0Vにする(あえて逆に)

ここで基準を変えてみます。さっきとは逆に、プラス側の点を0Vと決めてみましょう。すると今度は、マイナス側の点は、そこから1.5V低いので、−1.5V になります。

ここで、おもしろいことが起きています。基準をどちらに選んだかで、各点の「数字」は変わりました。ところが、電池の両端の「差」はどうでしょう。どちらの場合も、きっちり1.5Vのままで、変わっていませんよね。

現場の豆知識 — 回路のGNDと、家電のアースは別物

ここで、現場の豆知識をひとつ。

回路図に出てくるグラウンド(=0Vの基準)は、あくまで「ここを基準にします」という目印にすぎません。じつはこれ、地面につなぐ「アース」(日本語で「接地」) とは、別のものなんです。記号も区別して使い分けられています。

ですから、「触れられる金属部分が安全かどうか」は、グラウンドという名前ではなく、「本当に大地とつながっているか」と「保護のしくみが働くか」で判断するものなんです。

たとえば、地面につながれていない機器の金属フレームを考えてみてください。回路の中ではそこが基準でも、本当の地面と同じ電位とは限りません。もし故障などでそのフレームが危険な電位になっていて、自分の体がフレームと地面をつなぐ通り道になってしまうと、体に電気が流れて、感電のおそれがあります。

こうした感電のリスクを下げるために、機器の金属部分を決められた方法で大地につなぐ「接地(アース)」という対策があります。今日のところは、「回路の基準であるGNDと、大地につなぐ接地は、別物」という一点だけ、頭に入れておいてください。プロほど、この2つを分けて確認しています。

確認テスト — 3問

確認テスト：解答

このセクションのまとめ

こうしてみると、今日の話は「電圧は2点の差。1点の電位を読むには基準が要り、その基準がグラウンドだ」という一本の筋でつながっています。電位と基準は切っても切れない関係、という感覚を、頭の片隅に置いておいてください。

まとめ — 次回予告

今回は電圧とGNDという、回路を読むうえで欠かせない概念をゼロから整理しました。次回は、もう一つ初心者がよく迷う「直流と交流の違い」に進みます。電池とコンセントの中身がなぜ違うのか、波形で何が変わるのか、をゼロから見ていきます。

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