サーキットブレーカーは、現代の世界では絶対に不可欠なデバイスであり、あなたの家で最も重要な安全メカニズムの1つです。建物内の電気配線に流れる電流が多すぎると、これらの単純な機械は、誰かが問題を解決できるまで電力を遮断します。回路ブレーカー（または代替のヒューズ）がないと、単純な配線の問題や機器の故障に起因する火災やその他の騒乱の可能性があるため、家庭用電気は実用的ではありません。
この記事では、回路ブレーカーとヒューズが電流を監視する方法と、電流レベルが高くなりすぎたときに電源を遮断する方法について説明します。後で説明するように、サーキットブレーカーは潜在的に致命的な問題に対する非常に簡単な解決策です。
回路ブレーカーを理解するには、家庭用電気がどのように機能するかを知ることが役立ちます。
電気は、次の3つの主要な属性によって定義されます。
- 電圧
- 電流
- 抵抗
電圧は、電荷を動かす「圧力」です。電流は、電荷の「流れ」、つまり電荷が導体を通って移動する速度であり、特定のポイントで測定されます。導体は、この流れに対してある程度の抵抗を提供しますが、これは導体の組成とサイズによって異なります。
電圧、電流、抵抗はすべて相互に関連しています。一方を変更せずにもう一方を変更することはできません。電流は、電圧を抵抗で割った値に等しくなります（通常、I = v / rと表記されます）。これは直感的に理解できます。電荷に作用する圧力を上げたり、抵抗を下げたりすると、より多くの電荷が流れます。圧力を下げるか抵抗を増やすと、流れる電荷が少なくなります。詳細については、電気の仕組みをご覧ください。
では、これらすべてがあなたの家でどのようにまとめられるのでしょうか？確認してみましょう。
- サーキットブレーカー：自宅での作業中
- ブレーカーデザイン：基本
- ブレーカーデザイン：高度
サーキットブレーカー：自宅での作業中
配電網は、あなたの家に発電所から電気を提供します。あなたの家の中では、電荷は多くの小さな回路で構成されている大きな回路を移動します。回路の一端である熱線は、発電所につながっています。中性線と呼ばれるもう一方の端は、アースにつながっています。熱線は高エネルギー源に接続し、中性線は電気的に中性の電源（アース）に接続するため、回路の両端に電圧が発生します。回路が閉じると電荷が移動します。電流は急速に方向を変えるため、交流と呼ばれます。 （詳細については、配電グリッドのしくみを参照してください。）
配電網は一定の電圧（米国では120ボルトと240ボルト）で電力を供給しますが、抵抗（したがって電流）は家の中で異なります。さまざまな電球や電化製品はすべて、負荷とも呼ばれる一定量の抵抗を提供します。この抵抗がアプライアンスを機能させるものです。たとえば、電球の内部には、流れる電荷に対して非常に耐性のあるフィラメントがあります。電荷はそれに沿って移動するために一生懸命働かなければならず、それはフィラメントを加熱し、それを光らせます。
建物の配線では、熱線と中性線が直接接触することはありません。回路を流れる電荷は、常に抵抗器として機能するアプライアンスを通過します。このように、アプライアンスの電気抵抗は、回路を流れる電荷の量を制限します（一定の電圧と一定の抵抗では、電流も一定でなければなりません）。アプライアンスは、安全のために電流を比較的低いレベルに保つように設計されています。特定の時間に回路を流れる電荷が多すぎると、アプライアンスの配線と建物の配線が危険なレベルまで加熱され、火災が発生する可能性があります。
これにより、ほとんどの場合、電気システムがスムーズに稼働し続けます。ただし、場合によっては、熱線を中性線または他の何かに直接接続してアースに接続することがあります。たとえば、ファンモーターが過熱して溶け、熱線と中性線が融合する場合があります。または、誰かが壁に釘を打ち込み、誤って電力線の1つに穴を開ける可能性があります。熱線が直接アースに接続されている場合、回路の抵抗は最小限に抑えられるため、電圧によって大量の電荷が線に押し出されます。これが続くと、ワイヤーが過熱して発火する可能性があります。
回路ブレーカーの仕事は、電流が安全なレベルを超えたときに回路を遮断することです。次のセクションでは、これがどのように行われるかを説明します。
ブレーカーデザイン：基本
最も単純な回路保護装置はヒューズです。ヒューズは、回路に接続する、ケーシングに囲まれた細いワイヤーです。回路が閉じているとき、すべての電荷はヒューズワイヤーを通って流れます-ヒューズは回路に沿った他のポイントと同じ電流を経験します。ヒューズは、特定のレベルを超えて加熱すると崩壊するように設計されています。電流が高くなりすぎると、ワイヤが焼損します。ヒューズを破壊すると、過剰な電流が建物の配線に損傷を与える前に回路が開きます。
ヒューズの問題は、一度しか機能しないことです。ヒューズを飛ばすたびに、新しいものと交換する必要があります。回路ブレーカーはヒューズと同じことを行います-電流が危険なレベルに達するとすぐに回路を開きます-しかし、それを何度も使用することができます。
基本的な回路ブレーカーは、バイメタルストリップまたは電磁石のいずれかに接続された単純なスイッチで構成されています。下の図は、典型的な電磁石の設計を示しています。
回路内の熱線は、スイッチの両端に接続されています。スイッチをオンの位置に切り替えると、電気は下部端子から電磁石を通り、可動接点まで、固定接点を横切って上部端子に流れます。
電気は電磁石を磁化します（理由については、電磁石のしくみを参照してください）。電流を増やすと電磁石の磁力が上がり、電流を減らすと磁気が下がります。電流が危険なレベルに跳ね上がると、電磁石はスイッチリンケージに接続された金属レバーを引き下げるのに十分な強さです。リンケージ全体がシフトし、可動接点を固定接点から遠ざけるように傾けて回路を遮断します。電気が止まります。
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回路ブレーカーをクリックして、スイッチを解放します。
バイメタル板のデザインは、その代わりに、電磁石、高電流曲がりリンケージを移動するための薄いストリップへの通電を除いて、同じ原理で動作します。一部の回路ブレーカーは、爆発物を使用してスイッチをスローします。電流が特定のレベルを超えると、爆発物に点火し、ピストンを駆動してスイッチを開きます。
ブレーカーデザイン：高度
より高度な回路ブレーカーは、単純な電気機器ではなく、電子部品（半導体機器）を使用して電流レベルを監視します。これらの要素ははるかに正確であり、回路をより迅速にシャットダウンしますが、はるかに高価でもあります。このため、ほとんどの家は今でも従来の電気回路ブレーカーを使用しています。
新しいサーキットブレーカデバイスの1つは、漏電遮断器（GFCI）です。。これらの洗練されたブレーカーは、建物の配線への損傷を防ぐのではなく、感電から人々を保護するように設計されています。GFCIは、回路の中性線と熱線の電流を常に監視しています。すべてが正しく機能している場合、両方のワイヤの電流は完全に同じである必要があります。熱線が直接アースに接続されるとすぐに（たとえば、誰かが誤って熱線に触れた場合）、電流レベルは熱線で急上昇しますが、中性線では急上昇しません。GFCIは、これが発生するとすぐに回路を遮断し、感電死を防ぎます。電流が危険なレベルに上昇するのを待つ必要がないため、GFCIは従来のブレーカーよりもはるかに迅速に反応します。
家の中のすべての配線は、通常は地下室またはクローゼットにある中央回路ブレーカーパネル（またはヒューズボックスパネル）を通ります。典型的な中央パネルには、家の中のさまざまな回路につながる約12個の回路ブレーカースイッチが含まれています。1つの回路には、リビングルームのすべてのコンセントが含まれ、別の回路には、階下のすべての照明が含まれる場合があります。中央空調システムや冷蔵庫などの大型の電化製品は、通常、独自の回路上にあります。
サーキットブレーカやその他の電気システムの詳細については、次のページのリンクを確認してください。
初版：2002年5月9日
