# Week 1：電気の基礎

## 今週のゴール

- 電圧・電流・抵抗を、水流の比喩だけに頼らず説明できる。
- オームの法則と電力の式を使える。
- LEDへ直列に入れる抵抗を計算できる。
- コンデンサが一時的に電荷を蓄えることを説明できる。

## 1. 電荷、電流、電圧

電子は負の電荷を持ちます。金属中では一部の電子が動きやすく、電位差を与えると全体として一定方向へ移動します。

- 電流 `I`：ある断面を1秒間に通過する電荷の量。単位A。
- 電圧 `V`：単位電荷あたりのエネルギー差。単位V。
- 抵抗 `R`：同じ電圧を加えたときの電流の流れにくさ。単位Ω。

慣用的な電流の向きは、正電荷が移動すると仮定した向きです。金属中の電子の移動方向とは逆ですが、回路計算では慣用電流を使います。

## 2. オームの法則

抵抗器では、扱う範囲内で次の関係が成り立ちます。

```text
V = I R
I = V / R
R = V / I
```

例：5 Vを1 kΩへ加えたとき

```text
I = 5 V / 1000 Ω = 0.005 A = 5 mA
```

単位の接頭辞も覚えます。

| 記号 | 意味 | 倍率 |
|---|---|---:|
| k | キロ | 1,000 |
| M | メガ | 1,000,000 |
| m | ミリ | 0.001 |
| μ | マイクロ | 0.000001 |
| n | ナノ | 0.000000001 |

## 3. 電力と発熱

電力は単位時間に使われるエネルギーです。

```text
P = V I
P = I² R
P = V² / R
```

抵抗へ電流を流すと熱になります。CPUやGPUの冷却が必要になる根本にも、スイッチングや漏れ電流により電気エネルギーが熱へ変わることがあります。

5 V、5 mAなら、抵抗で消費する電力は次のとおりです。

```text
P = 5 V × 0.005 A = 0.025 W = 25 mW
```

## 4. 直列と並列

直列回路では同じ電流が流れ、電圧が分配されます。

```text
R_total = R1 + R2 + ...
```

並列回路では各枝に同じ電圧がかかり、電流が分かれます。

```text
1/R_total = 1/R1 + 1/R2 + ...
```

同じ抵抗を2本並列にすると、合成抵抗は半分です。

## 5. LEDの抵抗を計算する

電源5 V、LEDの順方向電圧2 V、流したい電流10 mAとします。抵抗へかかる電圧は `5 - 2 = 3 V` です。

```text
R = 3 V / 0.010 A = 300 Ω
```

実際には標準値から330 Ωなどを選びます。抵抗の消費電力は次のとおりです。

```text
P = 3 V × 0.010 A = 0.030 W
```

一般的な0.25 W抵抗の定格内ですが、実物ではLEDのデータシートと最大定格を確認します。

## 6. コンデンサ

コンデンサは二つの導体を絶縁体で隔て、電荷を蓄えます。

```text
Q = C V
```

`C`は静電容量です。直流電源につないだ瞬間は充電電流が流れ、十分に充電されると理想的には電流が止まります。デジタル回路では、MOSFETのゲートや配線にも微小な容量があります。この容量を充放電する時間とエネルギーが、速度と消費電力に影響します。

## 実習

1. 3.3 V電源、順方向電圧2.0 V、目標電流5 mAのLED抵抗を計算する。
2. その抵抗で消費される電力を計算する。
3. FalstadでBattery、Resistor、LEDを直列につなぎ、抵抗値を半分・2倍に変える。
4. 電流とLEDの明るさがどう変わるか記録する。

## 説明課題

「電圧がある」と「電流が流れる」はなぜ同じ意味ではないのか、開いたスイッチを例に2分で説明してください。

## 小テスト

1. 12 Vを2 kΩへ加えたときの電流は何mAか。
2. 3 V、20 mAで動作する負荷の電力は何mWか。
3. 100 Ωと220 Ωを直列にした合成抵抗はいくつか。
4. 同じ100 Ωを2本並列にした合成抵抗はいくつか。
5. コンデンサがCPUの速度・電力と関係する理由を一文で答えよ。

[解答](../answers.md#week-1)