電気の基本。電圧と電流、抵抗、プラスとマイナスが引き合う力

坂本祥太朗 | NDシステムズ

2026年11月7日 06:45

スマートフォンの充電、部屋の照明、パソコンの中の計算は、どれも電気のはたらきによるものです。「電圧」「電流」「抵抗」という言葉はよく見かけるものの、それぞれが何を表し、どのような関係にあるのかは、意外と説明しにくいかもしれません。

この記事では、電気の基本を、プラスとマイナスが引き合う力から始めて、電圧・電流・抵抗、絶縁体をはさんで電荷が集まる仕組みの順に説明します。

扱うのは、電荷どうしにはたらく力、その力がはたらく空間である電界、電気を流そうとするはたらきである電圧、電荷の流れである電流、流れにくさを表す抵抗、そして絶縁体をはさんで電荷をためるコンデンサーです。

最後に、この考え方を使って、半導体のスイッチ（トランジスタ）が、ゲートの電圧で電気の通り道を作る仕組みを説明します。本文の［1］のような番号は、押すと出典のページが開きます。

この記事で扱う内容。電荷にはたらく力から始めて、電圧・電流・抵抗、コンデンサー、トランジスタのゲートの順に進む

プラスとマイナスは、引き合う

電荷どうしにはたらく力

物が帯びている電気、またはその量を電荷と呼びます［1］。電荷には正（プラス）と負（マイナス）の２種類があり［1］、電子は負の電荷を持っています［6］。

電荷と電荷の間には、力がはたらきます。同じ種類の電荷どうしは反発し合い、異なる種類の電荷どうしは引き合います［2］。

この力の大きさは、２つの電荷の量の積に比例し、距離の２乗に反比例します［2］。この法則は１７８５年にクーロンが発見したもので、クーロンの法則と呼ばれます［2］。距離が半分になると、力は４倍になります。

同じ種類の電荷は反発し、異なる種類の電荷は引き合う。距離が近いほど、力は強くなる

電界：電荷に力がはたらく空間

電荷があると、そのまわりの空間では、別の電荷に力がはたらきます。このような、電荷に電気の力がはたらく空間を電界（電場）と呼びます［3］。

電界には向きがあります。ある点に＋１クーロンの電荷を置いたときに受ける力の向きを、その点の電界の向きとします［3］。正の電荷のまわりでは、電界は外向きになります。

負の電荷を持つ電子は、電界の向きと反対の向きに力を受けます［4］。正の電荷のまわりでは、電子は正の電荷の方へ引き寄せられます。

正の電荷のまわりの電界。矢印は＋の電荷が押される向きで、電子は矢印と反対の向き（正の電荷の方）に引き寄せられる

電圧は、電気を流そうとするはたらき

２つの点の間の、電位の差

電圧は、２つの点の間の電位の差です。単位はボルト（V）です［5］。電位は、電気の世界での「高さ」のようなもので、電圧はその高さの差にあたります。

電圧は、抵抗に打ち勝って電流を押し流そうとする能力を表します［5］。電気を水の流れにたとえると、電圧は水の落差（水圧）に相当します［5］。落差が大きいほど水の勢いが強いように、電圧が高いほど、電気を流す力が大きくなります［5］。電流は、電位の高い方から低い方へ流れます［4］。

電圧を水の落差にたとえた図。水が高い所から低い所へ流れるように、電流は電位の高い方から低い方へ流れる

電圧をかけると、電界ができる

２つの点の間に電圧をかけると、その間には電界ができます。金属の導線の中には、自由に動き回れる電子（自由電子）があり、この自由電子が電界によって力を受けて動くことで、電流が生じます［4］。

電圧は、電流を流そうとする「原因」で、電流は、その結果として生じる電荷の流れです。電圧の単位はボルト、電流の単位はアンペアで、２つは別の量です。

電流は、電荷の流れ

１アンペアは、１秒間に１クーロン

電流は、電荷が運動する現象です［4］。電流の強さは、ある断面を１秒間に通る電荷の量で表し、単位をアンペア（A）と呼びます［4］。１アンペアの電流は、１秒間に１クーロンの電荷を運びます［4］。

電子１個が持つ電荷の大きさ（電気素量）は、１．６０２１７６６３４×１０⁻¹⁹クーロンです［7］。１クーロンをこの値で割ると、約６．２４×１０¹⁸になります。つまり、導線に１アンペアの電流が流れているとき、ある断面を、１秒間におよそ６２４京個の電子が通っています。

１アンペアは、１秒間に１クーロンの電荷が通る流れ。電子の数にすると、１秒間におよそ６２４京個

電流の向きは、電子の動く向きと逆

電流の向きは、正の電荷が流れる向きと約束されています［4］。金属の中で電流を運んでいるのは電子で［4］、電子は負の電荷を持つため、電子の動く向きと電流の向きは反対になります［4］。

乾電池に豆電球をつなぐと、電流は＋極から導線を通って−極へ流れます。このとき、導線の中の電子は、−極から＋極へ向かって動いています。

電子が確かめられたのは、後のこと

電気の研究の歴史を時代順に並べると、電子の存在が確かめられたのは、正と負の呼び方や電池、オームの法則よりも後だったことが分かります。

１８世紀の半ば、フランクリンは、正電気・負電気という言葉を導入し、電気を１種類の流体の過不足として説明しました［8］
１７８５年、クーロンが、電荷の間にはたらく力の法則を定式化しました［9］
１８００年、ボルタが、銅板と亜鉛板を使った電池を開発しました［9］
１８２７年、オームが、主著で抵抗・起電力・電流の関係（オームの法則）を定式化しました［9］
１８９７年、J.J.トムソンの研究によって、電子が粒子であることが確認されました［6］

正と負の呼び方や、電流を使った研究は、電子の存在が確かめられるより前から積み重ねられてきました。電流の向きは、今も、正の電荷が流れる向きとして約束されています。電子の動きを考えるときは、向きを逆にして読む必要があります。

電気の研究の年表。正電気・負電気の呼び方、電池、オームの法則は、電子が確かめられた１８９７年より前のこと

抵抗は、電流の流れにくさ

電圧と電流の比が、抵抗

導体に電圧をかけると電流が流れます。このときの電圧と電流の比を、電気抵抗（抵抗）と呼びます［10］。抵抗は、電流の流れにくさを表す量で、単位はオーム（Ω）です［10］。１ボルトの電圧をかけたときに１アンペアの電流が流れる抵抗が、１オームです［10］。

金属の中を動く電子は、まっすぐ進めるわけではありません。電界で加速された電子のエネルギーは、原子の振動（格子振動）などとの衝突によって熱に変わります［10］。電流を流すと導線や電熱線が温かくなるのは、このためです。

抵抗は流れにくさ。電子は原子の振動などとぶつかりながら進み、そのエネルギーの一部が熱になる

オームの法則：電圧＝抵抗×電流

金属の導線では、流れる電流の強さは、両端の電圧に比例します。この比例の定数が抵抗で、オームの法則と呼ばれます［11］。式で書くと、次のとおりです［11］。

電圧（V）＝抵抗（R）×電流（I）

電流を求めるときは、両辺を抵抗（R）で割ります。

電流（I）＝電圧（V）÷抵抗（R）

たとえば、１．５ボルトの乾電池に、３オームの抵抗をつないだときの電流は、次のように計算できます。

電流＝１．５ボルト÷３オーム

電流＝０．５アンペア

同じ電圧なら、抵抗が大きいほど電流は小さくなります。ただし、オームの法則がよく成り立つのは、ふつうの金属や合金で、半導体などでは一般には成り立ちません［10］。

オームの法則。電圧＝抵抗×電流。１．５ボルトの電池に３オームの抵抗をつなぐと、０．５アンペアが流れる

絶縁体をはさむと、電荷が集まる

コンデンサー：向かい合う２枚の導体

２つの導体を、絶縁体をはさんで向かい合わせた部品を、コンデンサーと呼びます。電圧を加えて電気を蓄える装置です［12］。

コンデンサーに電圧をかけると、それぞれの電極に、電圧の向きに応じた電荷が蓄えられます［12］。電源の＋極につないだ側の板にはプラスの電荷が、−極につないだ側の板にはマイナスの電荷が集まります。間にある絶縁体は電流を通さないため、回路には一時的な電流は流れるものの、流れ続ける電流は流れません［12］。

板の上の電荷が、絶縁体を通り抜けずにその場にとどまるのは、向かいの板の反対の電荷と引き合っているためです。２枚の板の間には、電荷と電界が閉じ込められます［12］。

コンデンサー。絶縁体をはさんだ２枚の板に電圧をかけると、＋側の板にプラス、−側の板にマイナスの電荷が集まり、引き合ってとどまる

電圧が高いほど、たまる電荷は多い

コンデンサーにたまる電荷の量（Q）は、かけた電圧（V）に比例します。比例の定数を電気容量（C）と呼び、Q＝CV の関係があります［12］。

電荷の量（Q）＝電気容量（C）×電圧（V）

同じコンデンサーなら、電圧を２倍にすると、たまる電荷も２倍になります。電圧を高くするほど、板の表面に、より多くの電荷が引き寄せられます。

ゲートの電圧で、電気の通り道ができる

MOSFET の３つの端子：ソース・ゲート・ドレイン

半導体の部品の１つである MOSFET（トランジスタの一種）は、ソース・ドレイン・ゲートの３つの端子を持ちます。もっとも単純な形のものは、p型の半導体の基板にn型の領域が２か所あり、その２か所をつなぐ位置に、半導体と絶縁された金属の板が置かれています［13］。２つのn型の領域につながる端子がソースとドレイン、金属の板につながる端子がゲートです［13］。

名前は英語の言葉で、ソース（source）は「源」、ドレイン（drain）は「排水口」、ゲート（gate）は「門」という意味です。この形の MOSFET では、通り道ができると、電子はソースから送り込まれて、ドレインへ流れ込みます［13］。ゲートは、その間の通り道を開け閉めする門の役目をし、オンとオフは、ゲートとソースの間の電圧で切り替えます［13］。

なお、電子がソースからドレインへ動くとき、電流の向き（正の電荷の向き）で言えば、電流はドレインからソースへ流れることになります。

MOSFET の３つの端子。電子はソース（源）から出てドレイン（排水口）へ流れ込み、ゲート（門）がその間の通り道を開け閉めする

トランジスタのゲートは、コンデンサーと同じ形

ゲートの電極（金属）、絶縁膜、p型の基板の３つの層は、コンデンサーと同じ形をしています。メーカーの解説でも、この金属板と絶縁膜とp型の基板が、MOSキャパシターとして動作すると説明されています［13］。キャパシターは、コンデンサーの別名です［12］。

MOSFET のゲートの部分は、金属・絶縁膜・半導体が重なった、コンデンサーと同じ形をしている

ゲートにプラスの電圧をかけると、電子が集まる

ゲートに正の電圧をかけると、コンデンサーと同じように、ゲートの電極の側はプラスに、半導体の側はマイナスに帯電します［13］。はじめは、半導体側に生じたマイナスが、p型の半導体の正孔（電子の欠けた穴）と打ち消し合い、ゲートのすぐ下に空乏層ができます［13］。空乏層は、電気を運ぶもの（キャリア）がほとんどない層です［13］。この段階までは、まだオフの状態です［13］。

さらにゲートの電圧を上げると、ゲートの電極のすぐ下に電子が集まり、反転層ができます［13］。電子が引き寄せられたことで、p型の領域の一部がn型に変わった層です［14］。

この反転層が、ソースとドレインの２つのn型の領域をつなぎ、電流が流れる通り道（チャネル）になります［13］。ゲートとソースの間の電圧が、ある値（しきい値電圧）以上になると、反転層ができてオンになります［13］。

ゲートの電圧を上げると、まず正孔のない層（空乏層）ができ、しきい値を超えると電子が集まって、ソースとドレインをつなぐ通り道（反転層）ができる

電気の基本で見ると

ゲートで通り道ができる仕組みは、この記事で見てきた電気の基本の組み合わせです。

ゲートに電圧をかけると、絶縁膜をはさんで、コンデンサーと同じように電荷が集まる
ゲートのプラスの電荷と、半導体の中の電子が、絶縁膜をはさんで引き合う
集まった電子が、ソースとドレインをつなぐ通り道になる
ソースとドレインの間に電圧がかかっていれば、その通り道を電流が流れる

ゲートと半導体の間は絶縁膜で隔てられているため、ゲートから半導体へ電流が流れ続けることはありません（コンデンサーと同じく、電荷がたまる間の一時的な電流は流れます）。ゲートの電圧は、絶縁膜の向こう側に電子を引き寄せることで、別の場所（ソースとドレインの間）の電流を開け閉めしています。

まとめ

電荷には正と負があり、同じ種類は反発し、異なる種類は引き合う。電荷のまわりの、力がはたらく空間が電界
電圧は２つの点の間の電位の差で、電流を流そうとするはたらき。単位はボルト
電流は電荷の流れで、１アンペアは１秒間に１クーロン。電流の向きは正の電荷の向きと約束されていて、電子の動く向きとは反対
抵抗は電流の流れにくさ。金属では、電圧＝抵抗×電流（オームの法則）が成り立つ
絶縁体をはさんだ２枚の導体（コンデンサー）に電圧をかけると、両側に反対の電荷が集まり、引き合ってとどまる
MOSFET のゲートは、コンデンサーと同じ形。ゲートにプラスの電圧をかけると、半導体側に電子が集まり、通り道（反転層）ができる

電圧・電流・抵抗は、別々の量でありながら、オームの法則で結びついています。また、電流を通さない絶縁体の向こう側にも、電荷の引き合う力ははたらきます。この２つを押さえておくと、半導体のスイッチが、ゲートから電流を流し続けることなく、電圧で電気の流れを開け閉めしている仕組みが理解しやすくなります。

免責事項

この記事は、筆者が個人として調べたことをもとに、執筆時点の内容をまとめたものです。学習用の説明として、分かりやすさを優先し、細かい条件や例外を省いている場合があります。厳密な定義や数式は、教科書や専門書で確認してください。

電気の実験や電気製品の分解・改造は、感電や発火のおそれがあります。この記事の内容を利用して生じた損害については、責任を負いかねます。

NDシステムズについて

NDシステムズは、福岡県久留米市を拠点に、ホームページの制作、業務に合わせた事務のシステムの開発、AI・DX支援を行っています。まずはお気軽に無料相談でご相談ください。