電圧の正体と電圧が負数で表現されることの理由など

初心者です。例えばICに入力する電気信号の電圧の範囲は+15V～-15Vなどと表現されます。この+15Vや-15Vは、ある電位を基準にした場合のそれとの差異を示しているのでしょうか。GNDとはこの「ある電位」のことでしょうか。異なる二つの独立した回路では、GNDの電位はそれぞれ異なるのでしょうか。異なる二つの回路の間で電気信号を入出力する場合はGNDの電位はどうなるのでしょうか。

私は0Vという絶対的な電位が存在するものと思っていましたが、自然電位という言葉に出くわしたことで混乱しはじめました。つまり、ICもそれぞれ異なる電位を持ち、環境によってそれも変動するのではないかと考えたのです。

No.2 ベストアンサー 回答者： yhr2 回答日時： 2020/11/19 14:33

No.1 です。

「お礼」に書かれたことについて。

＞バッテリーや電池で駆動するマイコンなどはアース線を持たず「接地」していないのですが、その場合GNDの電位はどのように決まるのでしょうか、

「絶対的な電位」というものがあるとすれば、「アース線を持たず「接地」していない」ものの電位は「不定」です。
でも、回路全体が「接地」電位から浮いていても、その中の「アース線」を共通につなげば、そこが「ローカルなGND」になります。

「地球」をアースにしたところで、それは宇宙全体から見れば「ローカルなGND」ですから、それと同じです。

＞また、異なる二つ以上の回路が接続された場合はGNDの電位はどうなるのでしょうか。

おのおのの「接続された」部分が「共通の電位」になります。
別に、共通なものが「GND」である必要はありませんから。

Ａ回路の「GND + 10V」の部分と、別なＢ回路の「GND + 5V」の回路を接続して共通の電位にすれば、
・この共通の電位を とすれば、Ａの GND は -10V、Ｂの GND は -5V になる。
・Ｂの GND を共通の電位 0 と呼ぶことにすれば、Ａの GND は -5V で、Ａの回路内の電圧はすべて「A の GND を基準にした電圧」から「-5 V」して呼ぶことになります。

すべて、そういった「相対的な扱い」です。
地球（アース）を「電位の基準 = 0」とするのは、地球上ではそうすることで分かりやすくなるから、というローカルルールにすぎません。
各回路ごとに、その回路内だけで通用する「ローカルルール」があってかまいません。
接続するときには、その「ローカルルール」どうしで「調整」すればよいのです。Ａ側に合わせても、Ｂ側に合わせても、新たに「新ローカルルール」を作っても、どれでも構わないのです。

この回答へのお礼

丁寧な回答ありがとうございます。
やっとすっきり理解できました。

お礼日時：2020/11/19 14:58

No.1 回答者： yhr2 回答日時： 2020/11/19 12:16

まず、「電圧」とは、基準に対する「電位差」のことです。

基準を「0」にすれば、プラスもマイナスもあり得ます。

＞この+15Vや-15Vは、ある電位を基準にした場合のそれとの差異を示しているのでしょうか。

はい、そうです。その「差異」を「電位差」と呼びます。
ある電位 = 0 とするということです。

＞GNDとはこの「ある電位」のことでしょうか。

「GND」とは「グラウンド」つまり「地表面」を指し、日本語では「接地（アース）」と呼ばれます。
地球そのものが「概ね導体」で「容量が大きい」ので、ちょっとの電荷を与えたりもらったりしても電位は変わらないとみなせるので、現実的な「電位の基準」にすることが多いです。
理論で論ずる場合には「無限遠方」を「電位の基準＝電位 0」とすることも多いです。

＞異なる二つの独立した回路では、GNDの電位はそれぞれ異なるのでしょうか。

それでは意味がないので、GNDの電位を共通の「接地（アース）」にします。
別々の「接地（アース）」にすること（あるいは結果的にそうなってしまうこと）を「２点接地」といい、ノイズや過電流などの原因となります。なので通常の電気工事や配線では「避けるべきこと」とされています。

＞異なる二つの回路の間で電気信号を入出力する場合はGNDの電位はどうなるのでしょうか。

上に書いたように、「接地」を「共通の基準電位」とすることで、２つの回路で共通の「電圧」として扱えます。


＞私は0Vという絶対的な電位が存在するものと思っていましたが、

それは「人間が定義する」ものなので、「○○を基準とする」と言わないと決まりません。
通常の「電磁気学」などでは「無限遠方」を「電位 0 の基準」とすることが多いです。

「電位」は基準がないものであり、どこかの電位を「0」と定めることにより、そこからの「電位差」を「電圧」と呼んで取り扱います。

この回答へのお礼

ありがとうございます。
バッテリーや電池で駆動するマイコンなどはアース線を持たず「接地」していないのですが、その場合GNDの電位はどのように決まるのでしょうか、また、異なる二つ以上の回路が接続された場合はGNDの電位はどうなるのでしょうか。

お礼日時：2020/11/19 13:49