充電ケーブルの仕組みに関する奇妙な秘密

2019年4月9日午前9時

携帯電話の充電器や USB ケーブルは 1 本のコードのように見えますが、騙されないでください。どのケーブルでも、包みを開けると内部に複数のコードが入っています。

スマートフォンを充電したい時はどうしますか？ケーブルを差し込めば、充電完了です。では、ノートパソコンに外部モニターを接続したい場合はどうしますか？はい、HDMIケーブルがあります。スマートフォンをスピーカーに接続するには、補助オーディオケーブルを使うといいでしょう。

でも、ここに秘密があります。それぞれのケーブルの中には複数の電線が入っています。ケーブルが電源用かデータ用かは関係なく、少なくとも2本の電線が入っている必要があります。なぜなら、すべての電気回路はループで構成されているからです。1本の電線だけではループを作ることはできません。

はい、例外が一つあります。ワイヤレス給電とワイヤレスデータ通信は、2本以上のワイヤーを使用しません。ワイヤーは全く使いません。結局のところ、「ワイヤレス」なのですから。

最も単純な電気回路

電気回路の最も分かりやすい例は、おそらく電池1個と小さな白熱電球でしょう。（LEDライトでも同じことができますが、電池との接続は少し複雑です。）この電球を点灯してみましょう。電線をケーブルのように扱うと、このように接続できると思うかもしれません。

しかし、電気回路はそうは機能しません。鍵となるのは電流です。これは金属線内の電荷（通常は負の電子）の動きです。この電荷の流れ（実際には流れではありません）は、電池によって電線内に生じる電界によって生じます。しかし、閉ループ回路がなければ、移動電荷はすぐに電線の表面に蓄積され、電流が流れないゼロ電界状態になります。

閉ループを形成すると、移動電子はバッテリーに戻り、電荷の蓄積を本質的に防ぐことができます。これがその様子です。

実は、この方法でも使うのはワイヤー1本だけですが、大きな違いがあります。バッテリーの端から端まで、完全な経路が確保されているのです。プラス端子からのワイヤーは電球の側面に接続されます。電球内部では、この側面は電球のフィラメント（明るく光るワイヤー）につながり、そこから電球の下部の突起まで伸びています。この突起は、2本目のワイヤーを使ってバッテリーのマイナス端子に接続されます。これで回路が完成します。技術的には、ワイヤー1本だけで、突起をバッテリーに直接接続することも可能です。それでも回路は完成します。

何が起こっているのかを実際に視覚的に理解できるアニメーションはいかがでしょうか？これはコロラド大学ボルダー校のPhETによる優れたオンラインシミュレーションです。ぜひ一度ご覧ください。

電線内の電荷が回路全体を一周する様子に注目してください。そのために2本の電線が必要なのです。

ワイヤーの代わりにケーブルを使用する

ケーブルを使って電球を点灯させることはできますか？次のようにしてみてはいかがでしょうか。

これはApple純正のライトニングケーブルです。バッテリーのプラス端子から電球の接続端子の一つ（電球ホルダーを使っています）まで繋いでいますが、うまく動作しません。回路が未完成なので電球が切れているのです。

でも待って！なんとかできると思う。ケーブルには少なくとも2本のワイヤーが入っていることを覚えておいて。1本を切ると、こんな感じになるかもしれない。

この場合、1本のUSBケーブルの中に実際には5本のワイヤーがあることがわかります。1本のワイヤーだけではありません。電球を点灯させるには、これらのワイヤーのうち2本を取り出して、電池と完全な回路を作り、フィラメントに電流を流すだけです。少し複雑ですが、こんな感じです。

lightbulb attached to frayed usb cable attached to battery

基本的に、このケーブルには2本のワイヤーを内蔵しています。しかし、USBプラグをバッテリーに接続できないため、追加のワイヤーを使用する必要があります。もちろん、ケーブルのプラグ側を切断してプラグ部分を取り外すこともできますが、そうするとケーブルを使っているようには見えなくなります。

ケーブルとワイヤーの混同

でもちょっと待ってください！ケーブルと電線の違いについて書いているのには理由があります。物理実験室で多くの学生がこの二つを混同しているように思います。ケーブルに慣れすぎていて、回路全体を忘れてしまっているのです。特に、学生がマルチメーターを使って回路の電圧や電流を測定しようとすると、その違いが顕著になります。

簡単な回路で、電圧計を使って電球の両端の電圧を測定したいとします。電圧計からの配線を電話線と見なすと、次のように接続します。