電気には、直流と交流の2種類が存在する。直流は真っ直ぐ進み、交流は波打つように進んでいく特性がある。今回は、その直流と交流の違いや実生活でどのように使われているのか、具体的に解説していきます。

高校、大学、大学院と電気を専攻してきたライターさとるめしと一緒に解説していきます。

ライター/さとるめし

工業高校電気科卒、大学、大学院と電気工学を専攻している現役大学院生。「電気はよくわからない…」と言う友人や知人に、どうすればわかりやすく電気について理解してもらえるか、日々考えながら過ごしている。

1. 直流と交流とは?

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電気回路には、電圧が電流を押し出す方法の違いによって、直流と交流の2種類があります。この2種類は、どちらも日常生活でよく使われますが、あまり知らない方も多いのではないでしょうか。進み方が違うというだけで、特に難しいことはありません。直流・交流がそれぞれどのようなものなのか、見ていきましょう。

2. 直流回路とは?

直流回路とは、電圧が一定の大きさで電流を押し続ける回路です。言葉では、なかなか難しいですね。直流の電圧を出すものとして代表的なのは、乾電池です。少し、馴染みが出てきたのではないでしょうか?

直流回路は、電圧が一定と説明しました。もう少し詳しく考えてみましょう。

2-1. 直流回路の電圧

2-1. 直流回路の電圧

image by Study-Z編集部

直流回路の電圧が一定、とはどういうことなのかを具体的に考えていきます。

電圧の大きさを縦軸、時間を横軸としたグラフを見てみましょう。時間が経過しても、電圧の大きさが変わりません。つまり、直流回路の電圧は一定、とは時間が経過しても電圧の大きさが変わらないということです。

直流回路の回路図を確認してみましょう。

2-2. 直流回路の回路図

2-2. 直流回路の回路図

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直流回路は、電圧が一定です。そのため、回路図の電圧にも大きなポイントがあります。

図のように、回路図の電圧は2本の棒で表現することが一般的です。電圧が電流を押し出す方をプラスとし、戻ってくる方をマイナスと考えます。プラスが長い方、マイナスが短い方なので注意しましょう。

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3. 交流回路とは?

交流回路は、時間に対して常に電圧の大きさが変化する回路です。と言われても、どういうことかわからないですね。身近な例として、コンセントが挙げられます。電子レンジや冷蔵庫など、いわゆる家電と呼ばれるものはコンセントにつないで使いますね。

では、交流回路の電圧をもっと詳しく考えてみましょう。

3-1. 交流回路の電圧

3-1. 交流回路の電圧

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時間に対して変化する電圧とは何なのか、電圧の大きさを縦軸、時間を横軸としたグラフで見てみましょう。

電圧の大きさが波のように変化していますね。プラスとマイナスを行き来していますが、これは電圧の向きが変化しているということです。このように、電圧の大きさ(=電圧の向き)が変化することが交流の特徴といえます。

ところでこのグラフ、なんとなく見覚えがあると感じた方もいるのでは?実は、このグラフは三角関数のサインと同じなのです。三角関数は、

sinθ

で表現されますね。交流回路の電圧の大きさは、このサインの存在がポイントとなっています。

3-2. 交流回路と三角関数の関係

3-2. 交流回路と三角関数の関係

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交流回路の電圧は、三角関数によって表現することができます。電圧の大きさをeとし、sin(ωt)は電圧の大きさをコントロールするポイントと考えてください。ここで出てきたωtについて、もう少し詳しく見ていきます。

ωは、2πという定数とfという変数をかけたものです。πは、円周率ですね。円の面積を求めるときに使うものですが、交流回路の電圧の大きさを求めるときにも使います。そしてfは、周波数のことです。周波数とは、交流回路の電圧がプラスマイナスをどれだけの速さで行き来するかを示します。

ここで、改めて2πfを見てみましょう。なんだか、fを半径とした円周の式に見えてきますね。

周波数について、もっと教えて!

周波数は、Hzという単位で表されヘルツと読みます。三角関数は波ですが、この波がスタート地点に戻ってくるまでの時間を周期といい、この周期の逆数が周波数です。つまり、周波数は時間の逆数といえます。

家のコンセントに届く電気は、商用周波数という定められた周波数です。大まかに、東日本で50Hz、西日本で60Hzとされています。ぜひ自宅のコンセントに届く周波数が何Hzなのか、確認してみてください。

では、ωtのtについて考えてみます。ω=2πfは、円周のように見えてきますがこれだけではサインの大きさは一定になってしまいますね。

ここで、tが大事になってきます。tは、ずばり時間です。グラフでは、時間が経過するにしたがって電圧Eが変化しています。時間が変化することによって、はじめて交流回路の電圧が変化するといえるでしょう。

\次のページで「4. 交流回路をビジュアルで理解する」を解説!/

4. 交流回路をビジュアルで理解する

交流回路の電圧がどのように変化するのか、数学的に説明してきました。ここで、改めてグラフと図で確認してみます。

image by Study-Z編集部

円周は、グラフの1周期に対応していますね。ωが1周期であり、時間tは円周のうちどの位置を指しているのか示しています。そして、tが示した円周上の位置と円の中心を結んだとき、その高さがグラフ上のy軸と一致していますね。

このように、交流回路の電圧は波のように常に変化し続けることがわかります。また、電圧は電流を押し出す役割があるので、電流も波のように進んでいくことがわかりますね。

5. 交流回路の回路図

5. 交流回路の回路図

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交流回路の回路図を見てみましょう。

直流回路とほとんど変わりませんね。ただし、電圧の部分が少し違います。丸の中に、波が書いてある記号が交流回路の特徴です。交流回路の電圧は波なので、わかりやすいですね。電圧と電流は波のように進んでいきますが、オームの法則が適応できるので難しいことはありません。

ただし、時間的な変化を考慮した計算が必要になります。また、この回路図では抵抗のみですが、交流回路ではコンデンサやコイルと呼ばれる抵抗以外の存在が現れるので、注意が必要です。

コンデンサやコイルとは?

コンデンサやコイルは、抵抗と同様に電流の流れを邪魔する存在です。ただし、抵抗とは少し違った役割があります。

コンデンサは、電気を貯める役割があります。充電器を想像すれば、わかりやすいのではないでしょうか。また、コイルは電圧の大きさを変えることができます。

コンデンサやコイルを入れることによって、ただ電流が流れるだけではなく、さまざまなことができるようになります。

直流と交流がどう違うのかを理解しよう

複雑な式が増えてきて、わけがわからない…と感じてしまった方もいるかもしれません。まずは、直流と交流はどのように違うのかを理解しましょう。

性質の違いが理解できると、その性質はどのように式で表現できるのか、どのような理論に基づいているのか、と少しずつ深いところまで理解できるようになっていきます。

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物理理科電磁気学・光学・天文学

【物理】電気の「直流」と「交流」を理系大学院生がわかりやすく解説!3分で簡単電気の基礎

電気には、直流と交流の2種類が存在する。直流は真っ直ぐ進み、交流は波打つように進んでいく特性がある。今回は、その直流と交流の違いや実生活でどのように使われているのか、具体的に解説していきます。

高校、大学、大学院と電気を専攻してきたライターさとるめしと一緒に解説していきます。

ライター/さとるめし

工業高校電気科卒、大学、大学院と電気工学を専攻している現役大学院生。「電気はよくわからない…」と言う友人や知人に、どうすればわかりやすく電気について理解してもらえるか、日々考えながら過ごしている。

1. 直流と交流とは?

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電気回路には、電圧が電流を押し出す方法の違いによって、直流と交流の2種類があります。この2種類は、どちらも日常生活でよく使われますが、あまり知らない方も多いのではないでしょうか。進み方が違うというだけで、特に難しいことはありません。直流・交流がそれぞれどのようなものなのか、見ていきましょう。

2. 直流回路とは?

直流回路とは、電圧が一定の大きさで電流を押し続ける回路です。言葉では、なかなか難しいですね。直流の電圧を出すものとして代表的なのは、乾電池です。少し、馴染みが出てきたのではないでしょうか?

直流回路は、電圧が一定と説明しました。もう少し詳しく考えてみましょう。

2-1. 直流回路の電圧

2-1. 直流回路の電圧

image by Study-Z編集部

直流回路の電圧が一定、とはどういうことなのかを具体的に考えていきます。

電圧の大きさを縦軸、時間を横軸としたグラフを見てみましょう。時間が経過しても、電圧の大きさが変わりません。つまり、直流回路の電圧は一定、とは時間が経過しても電圧の大きさが変わらないということです。

直流回路の回路図を確認してみましょう。

2-2. 直流回路の回路図

2-2. 直流回路の回路図

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直流回路は、電圧が一定です。そのため、回路図の電圧にも大きなポイントがあります。

図のように、回路図の電圧は2本の棒で表現することが一般的です。電圧が電流を押し出す方をプラスとし、戻ってくる方をマイナスと考えます。プラスが長い方、マイナスが短い方なので注意しましょう。

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