『電位』と『電圧』の違い！

電気回路について勉強していると、「電位」と「電圧」という言葉を目にします。どちらも同じ単位を使うため、何が違うのか分かりにくいと感じるかもしれません。

電位は基準点から見た電気的な高さ、電圧は2点間の電位の差です。この記事では、電位と電圧について、以下の内容を図を用いてわかりやすく説明します。

• 電位と電圧の意味と違い
• 乾電池を直列接続した回路での計算方法
• 標高と標高差で考える電位と電圧のイメージ
• 基準点を変えたときの電位と電圧

電位と電圧の違い

電位は、基準点（基本的には大地、アース）を\(0{\mathrm{V}}\)としたときの「基準点からの電気的な高さ」です。

一方、電圧は「任意の2点間の電位差」です。電圧は電位差とも呼ばれています。

電位も電圧（電位差）も、単位には\({\mathrm{V}}\)（ボルト）を用います。

上図のように、\(1.5{\mathrm{V}}\)の乾電池2個を直列接続した回路があるとします。まず、C点を\(0{\mathrm{V}}\)の基準点（大地, アース）にとると、A点・B点・C点の電位は以下の値となります。

A点の電位\(V_A\)：
基準点からみると、\(1.5{\mathrm{V}}\)の乾電池が2個つながっているので、乾電池2個分だけ電位が高くなります。

\begin{eqnarray}
V_A=3.0{\mathrm{V}}({\Leftarrow}{\;}1.5{\mathrm{V}}+1.5{\mathrm{V}})
\end{eqnarray}

B点の電位\(V_B\)：
基準点からみると、\(1.5{\mathrm{V}}\)の乾電池が1個つながっているので、乾電池1個分だけ電位が高くなります。

\begin{eqnarray}
V_B=1.5{\mathrm{V}}
\end{eqnarray}

C点の電位\(V_C\)：
C点は基準点なので、その電位は次の値です。

\begin{eqnarray}
V_C=0{\mathrm{V}}
\end{eqnarray}

次に、AB間・AC間・BC間の電圧（電位差）を求めます。この記事では、\(V_{AB}\)を「B点に対するA点の電圧」とし、A点の電位からB点の電位を引いて求めます。\(V_{AC}\)と\(V_{BC}\)も、添字の最初の点の電位から、後の点の電位を引きます。

AB間の電圧\(V_{AB}\)：
A点の電位（\(V_A=3.0{\mathrm{V}}\)）からB点の電位（\(V_B=1.5{\mathrm{V}}\)）を引いて求めます。

\begin{eqnarray}
V_{AB}=V_A-V_B=3.0{\mathrm{V}}-1.5{\mathrm{V}}=1.5{\mathrm{V}}
\end{eqnarray}

AC間の電圧\(V_{AC}\)：
A点の電位（\(V_A=3.0{\mathrm{V}}\)）からC点の電位（\(V_C=0{\mathrm{V}}\)）を引いて求めます。

\begin{eqnarray}
V_{AC}=V_A-V_C=3.0{\mathrm{V}}-0{\mathrm{V}}=3.0{\mathrm{V}}
\end{eqnarray}

BC間の電圧\(V_{BC}\)：
B点の電位（\(V_B=1.5{\mathrm{V}}\)）からC点の電位（\(V_C=0{\mathrm{V}}\)）を引いて求めます。

\begin{eqnarray}
V_{BC}=V_B-V_C=1.5{\mathrm{V}}-0{\mathrm{V}}=1.5{\mathrm{V}}
\end{eqnarray}

例えば、\(V_{AB}=1.5{\mathrm{V}}\)は、「A点の電位がB点より\(1.5{\mathrm{V}}\)高い」という意味です。なお、電圧は、比べる順序を逆にすると符号が逆になります。A点に対するB点の電圧\(V_{BA}\)は、この例では\(-1.5{\mathrm{V}}\)になります。

標高と標高差で考える電位と電圧のイメージ

電位と電圧の違いは、下図の「標高」と「標高差」に置き換えるとイメージしやすくなります。

「電位（基準点からの電気的な高さ）」は「標高（海面からの高さ）」、「電圧（任意の2点間の電位差）」は「標高差（任意の2点間の高さの差）」のようなものです。

図では、海面を基準にした標高が\(300{\mathrm{m}}\)と\(100{\mathrm{m}}\)なので、標高差は\(200{\mathrm{m}}\)です。

基準点(大地、アース)をB点にとった場合の電位と電圧

先ほどはC点を基準点（大地, アース）にしました。では次に、下図のようにB点を\(0{\mathrm{V}}\)の基準点にした場合の電位と電圧を求めてみましょう。

B点を基準点（大地, アース）にとると、A点・B点・C点の電位は以下の値になります。

A点の電位\(V_A\)：
基準点からみると、\(1.5{\mathrm{V}}\)の乾電池が1個つながっているので、乾電池1個分だけ電位が高くなります。

\begin{eqnarray}
V_A=1.5{\mathrm{V}}
\end{eqnarray}

B点の電位\(V_B\)：
B点は基準点なので、その電位は次の値です。

\begin{eqnarray}
V_B=0{\mathrm{V}}
\end{eqnarray}

C点の電位\(V_C\)：
基準点からみると、\(1.5{\mathrm{V}}\)の乾電池が1個つながっているので、乾電池1個分だけ電位が低くなります。

\begin{eqnarray}
V_C=-1.5{\mathrm{V}}
\end{eqnarray}

下側の乾電池のプラス側（B点）を\(0{\mathrm{V}}\)としたため、マイナス側（C点）の電位は\(-1.5{\mathrm{V}}\)になります。負の電位は、選んだ基準点より電位が低いことを表します。

AB間・AC間・BC間の電圧（電位差）も、先ほどと同じ順序で電位を引き算して求めます。

AB間の電圧\(V_{AB}\)：
A点の電位（\(V_A=1.5{\mathrm{V}}\)）からB点の電位（\(V_B=0{\mathrm{V}}\)）を引いて求めます。

\begin{eqnarray}
V_{AB}=V_A-V_B=1.5{\mathrm{V}}-0{\mathrm{V}}=1.5{\mathrm{V}}
\end{eqnarray}

AC間の電圧\(V_{AC}\)：
A点の電位（\(V_A=1.5{\mathrm{V}}\)）からC点の電位（\(V_C=-1.5{\mathrm{V}}\)）を引いて求めます。

\begin{eqnarray}
V_{AC}=V_A-V_C=1.5{\mathrm{V}}-(-1.5{\mathrm{V}})=3.0{\mathrm{V}}
\end{eqnarray}

BC間の電圧\(V_{BC}\)：
B点の電位（\(V_B=0{\mathrm{V}}\)）からC点の電位（\(V_C=-1.5{\mathrm{V}}\)）を引いて求めます。

\begin{eqnarray}
V_{BC}=V_B-V_C=0{\mathrm{V}}-(-1.5{\mathrm{V}})=1.5{\mathrm{V}}
\end{eqnarray}

このように、同じ回路で基準点だけを選び直すと、各点の電位は変わりますが、同じ2点間の電圧は変わりません。

C点基準からB点基準にすると、A点・B点・C点の電位は、すべて\(1.5{\mathrm{V}}\)ずつ低い値になります。2点の電位が同じ量だけ変わるため、その差である電圧は変わらないのです。標高の基準を変えても、2地点の高さの差が変わらないのと同じ考え方です。

本記事のまとめ

この記事では「電位と電圧の違い」について、以下の内容を説明しました。

• 電位は、選んだ基準点から見た電気的な高さであり、基準点は必ずしも大地ではありません。
• 電圧は任意の2点間の電位差であり、比べる順序を逆にすると符号が逆になります。
• 電位も電圧も、単位には\({\mathrm{V}}\)（ボルト）を用います。
• 電位は標高、電圧は2地点の標高差にたとえると理解しやすくなります。
• 同じ回路で基準点だけを選び直しても、同じ順序で比べた2点間の電圧は変わりません。

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