1ボルトとはどのようなイメージすれば良いですか

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質問者：いわやま
質問日時：2019/02/08 13:41
回答数：12件

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No.12

回答者： joshua01
回答日時：2019/02/12 21:07

こんにちは。

電圧の直感的理解については私もしばしば問われるところ、なかなか説明が難しいのですが、次のような回答ではご質問の趣旨に合いますでしょうか。
ポイントは、「感覚的な意味では100vでびりびり、社会的な意味では25円の普通の乾電池１本が約1V」

○　まず、感覚的意味・・・（感電）
　1Vは人間ではほとんど感じられませんし、それ故に説明が難しいのですが、他方、電圧を表現するのによく使われるのが「コンセント」です。
　日本ではコンセントの電圧は100Vで、冷蔵庫や洗濯機など大型の機械の多くはこの電圧で動作しますが、この数字は危険で不快なものです。
　感電をお勧めするわけではありませんが、とにかく不快です。（なお感電死する可能性もありますが、100Vはよほど条件が揃わないと死ぬまでには至りません）
　その感覚を表現するのは難しいですが、ひとまず「着信して振動している携帯電話をぎゅーっと握った感覚に不快感を足したもの」と表現しておきましょう。これが、100vです。
　これが、50Vだと、その振動が「ほんのり」と感じられ、30Vではほぼ全く感じられなくなります。一方、200Vは相当危険ですが、不快感は100Vがほんの一回り強くなった程度でした・・・（苦笑）。
　したがって、1Vは、「100倍すると不快な振動」と理解するのがいいかと思います。（本当は、「直流」と「交流」の差もありますが）

○　社会的な意味①　売るときは1.5Vくらいが単位
　他の方の回答にあるように乾電池1本は1.5Vです。大きな乾電池（単一。1本100円～）もあれば、小さな乾電池（単四；1本25円～）もありますが、電池の持ち時間が違うだけで電圧は同じ。すなわち、1Vとは、概ね乾電池１本をイメージするのがよく、「電気を売る場合の基本単位」と理解するのがいいでしょう。
（他の方の回答にもあるように、電池には充電式など特殊なものを含めると1本1.2v～3vくらいのものまでいろいろありますが、これは電池が、「金属が酸やアルカリの液体に溶けるときに電気が起きる」という原理を利用したものであり、金属の種類によって発生する電圧が異なるためです。なお、一番安い乾電池が1.5Vなのは、安価で利用しやすい「亜鉛」が溶けるときの電圧が1.5vだから・・・）

○　社会的意味②　使うときは5Vくらいが基本
　一方、洗濯機など大型のものは別として、社会で重要な情報システムであるテレビ、パソコン、携帯電話は、概ね5V程度（乾電池3～4本分くらい）で動作しています。
これは、これらの機械が「トランジスタ」という小さなシリコン片（特殊なガラス片）に電気を流して信号を増幅することで動作しており、この「トランジスタ」が、シリコンの持つ特性から0.7V以上でないと動作せず、安定した動作のためにはその数倍の電圧が必要なためです。
　したがって、精密電子機器の電源　＝　乾電池2本～4本程度。　すなわち「1Vは、そのままでは使いにくく、数倍集めてはじめて電子機器の基本電源になる」と理解するのがいいでしょう。
（なお、一見、コンセントの100Vを受け取って動作しているようにみえるテレビやパソコンですが、画面を明るくする照明などの一部の機能を除けば、ほとんどの機能が内部で変換された5V程度の電圧で働いています。携帯電話の充電器は、よく見るとモロに「OUTPUT　DC5V」などと書いてあります。

さてさて、少々単純化しすぎながら長くなってしまいましたがいかがでしょうか。
お役に立てば幸いです。

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No.11

回答者： fedora777
回答日時：2019/02/09 21:03

マクスウェル方程式を見てください。

力学でいうところの高さをイメージしてはいかがですか。

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No.10

回答者： konjii
回答日時：2019/02/09 10:46

導体の二点間を1クーロンの電荷を運ぶのに1ジュールの仕事が必要となるときの、その2点間の電圧を１ボルトと言います。

とさ。

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No.9

回答者： d9win
回答日時：2019/02/09 07:57

電圧の単位のボルト(V)は、電池を発明したA.Voltaに因んでます。

彼の電池の初期出力電圧がほぼ1Vだったのです(そして、使い始めて直ぐに0.76Vに低下する欠点を改善したのが#8回答のダニエル電池です)。
電池の出力電圧は何れも1V程度です。伝統的な乾電池は1.5Vだし、水銀電池は1.35V、充電可能な鉛蓄電池は2V, ニッケル-カドニウム電池やニッケル-水素電池は1.2Vで、リチウムイオン電池だけが例外的に3.6V程度です。

金属を特定の電解質(例えば水)に入れてイオン化すると、金属と電解質の間に電位差が生じます。異なる金属を同じ電解質に入れると、この電解質中でのイオン化エネルギーの差が金属の間に生じます。これが電池の出力電圧になります。(ボルタやダニエルが用いた金属のCuとZnのイオン化エネルギーはそれぞれ7.7eVと9.3eVで、その差1.6eVは彼らの電池の出力電圧(1.1V)に近い)
金属の電解質中でイオン化は金属原子の最外殻電子が金属の結合から解き放たれる現象です。そのような現象の最も単純なものは、真空中で原子の最外殻電子が飛び出す場合で、その時に必要なエネルギーがいわゆるイオン化エネルギーとして知られている値です。このエネルギー値は原子の最外殻電子軌道エネルギーに他なりません。その値は、金属原子では7〜10eV程度です(Li, Na, Kのアルカリ金属は例外的に約5eV)。
電解質中におけるイオン化エネルギー差も同程度と考えれば、多くの電池の出力電圧が1V程度であることと整合します。

結局、化学反応は、異なる原子間の最外殻軌道電子のやり取りに他なりません。
そして、その際にやり取りされるエネルギーに相応している電池の出力電圧(約1V)は、金属原子の最外殻電子軌道エネルギーの違いが現れたものです。
逆に、化学反応を引き起こすエネルギーは電圧1Vに相応するエネルギー(1 eV)程度であると大まかに言えます。

手近にある電池の電圧が1V程度なので、大した電圧(エネルギー)ではないと思いがちですが、1Vは原子を周回する電子のエネルギーを電圧に換算した値の数分の1に匹敵しますので、原子構造(電子軌道構成)に影響する電圧なのです。電子にとって、1Vは甚大な圧力(電圧)として働いてます。
(1eVは、電気素量eを有する粒子が1Vの電位差を通過する間に得る(あるいは放出する)エネルギーです)

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No.8

回答者： yhr2
回答日時：2019/02/08 17:24

物理の単位って、独自にローカルに使われていたものが、後になって共通的・一般的な物理量から再定義されることが多いです。

現在標準的に使われている単位系「MKSA」では、長さが「メートル」に対して質量が『キロ』グラムだし、以前の「CGS」では質量が「グラム」に対して長さが『センチ』メートルでどちらにしてもアンバランスです。

電圧、電位差の「ボルト」も、もともとは「ダニエル電池」（ボルタの電池の改良型）の電圧が「約１ボルト」であったものが、後に
「１クーロンの電荷を運ぶのに外力が１ジュールの仕事をするときの電位差」
「１アンペアの電流が流れる導体の２点間において消費される電力が１ワットであるときの、その2点間の電圧」
のように定義されたものです。

そもそも、電磁気の物理量は、目に見えないものを人間か仮想的に作り上げた概念ですから、電荷「クーロン」にしても、電流「アンペア」にしても、抵抗「オーム」にしても、イメージしにくいですよね？
電流って、何がどんな速さで「流れて」いるのか、イメージできますか？　電子の移動する速さは 1 mm/s 以下だそうですよ（しかも「電流」の向きとは逆向きに！）。
じゃあ「交流の電流」ってどういうもの？　複素数の「インピーダンス」って？
結局、頭で理解・整理するしかないのではないでしょうか。