オームの法則
オームの法則とは、電圧と電流の関係式です。
直流回路の場合は、電圧をかけた際の、電流の妨げとなるのは抵抗のみです。電圧($V$)を抵抗($R$)の両端に掛けた場合の、流れる電流($J$)の関係は以下で表されます。
$$V=RJ$$
交流回路の場合は、電流の妨げになるものはインピーダンス($Z$)と呼ばれ、抵抗のほか、コンデンサやコイルが要素として加わります。但し、オームの法則として同じ形で表すことができます。
$$V=ZJ$$
以下は、直流回路に限定して話を進めます。
電圧
電圧の単位はボルト($V$)です。電圧に電荷を掛けると、エネルギーの次元になります。
例えば、ある基準点より電圧(電位)が $V$ ほど高い位置にあるプラスの電荷の粒子($+q$)は、基準点にある同じ電荷の粒子より、高い位置エネルギー $qV$ を持っています。
プラスの電荷は自由にすると、クーロン力により電位の低い方向に運動を起こします。このとき、電位差($V$)からプラスの電荷は速度($v$)を得ます。エネルギーの保存則により、この運動エネルギーと電位差による位置エネルギーは等しくなります。
$$\frac{1}{2}mv^2=qV$$
抵抗
抵抗とは、電流(電気の流れ)を抑制する要因となるもので、単位はオーム($\Omega$)です。抵抗($R$)は、導体の抵抗率を $\rho$ とすると、長さ($L$)に比例し、断面積($S$)に反比例します。
$$R=\rho\frac{L}{S}$$
この式より、2つの抵抗 $R_1,R_2$ が直列の場合は、
$$R=R_1+R_2$$
並列の場合は、
$$\frac{1}{R}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}$$
で表されることが分かります。
尚、抵抗率は温度に比例します。$t_0$ と $t$ の抵抗率をそれぞれ $\rho_0$ 、$\rho$ とすると、$t-t_0$ があまり大きくなければ近似的に以下で表されます。ここで、$\alpha$ は温度係数です。
$$\rho=\rho_0[1+\alpha(t-t_0)]$$
伝導率
伝導率($\sigma$)は抵抗率の逆数で表されます。
$$\sigma\equiv\frac{1}{\rho}$$
特に、電場($E$)と電流密度($j$)との関係は以下で表すことができます。これは、電場のオームの法則になります。
$${\bf j}=\sigma{\bf E}$$
電力
電力($P$)は、電圧と電流の積で表すことができます。電力の単位はワット($W$)で、単位時間当たりのエネルギーの次元を持ちます。1ワットとは、1秒間に1ジュールのエネルギーが発生している(消費している)ことを表します。
$$P=VJ$$
抵抗の両端に電圧が掛かり電流が流れるとき、そこでは電気エネルギーが消費(熱エネルギーが発生)しています。その単位時間当たりのエネルギーが電力であると考えることができます。