交流電流が理解できません

質問

一般向けの平易に書かれてある解説書でも、ほとんど
「時間とともに周期的に大きさと向きが変化する電流」
としか書かれておらず、後は正弦波の図があるのみです。
本によっては回路図があり、その内側に右回りと左回りの矢印が
書かれてあるのが関の山です。
そこで疑問なのですが

１、直流であれば電流の方向は一定ですが、前述の回路図のように
電流が右回りと左回りを繰り返すのであれば、行ったり来たりしているだけで
流れていない事になります。
（一秒間に５０回とか６０回も入れ替わっているのですから）
にも関わらず交流電流が仕事をするのは、なぜなのでしょうか？

２、直流で作動するモーターは極性を逆にすると回転も逆になりますが
交流は、なぜそうならないのでしょうか？
ＡＣアダプターなど電源装置で整流してから直流で作動する電気製品も
多いのは承知していますが洗濯機は交流で稼動している製品が多いそうです。
私の理解では小刻みな正逆回転を繰り返すはずですが、
なぜそうならないなのでしょうか？

３、直流であれば「電流の方向と大きさは常に一定」と分かりやすく、
そのメカニズムも「マイナス極からプラス極への自由電子の移動」と
理解できますが、交流は「自由電子の移動」という観点からみると、
どう説明されるのでしょうか？

４、正弦波の図によればプラスとマイナスが絶えず入れ替わっていますが
（最大値は１４１Ｖ）、なぜサーキットテスターで測定すると実行値１００Ｖと
安定した測定値になるのでしょうか？
数値の変化を追いきれずに平均が表示されているとすれば０Ｖに
なるのではないでしょうか？

以上、一般向けの解説書を読んでも理解できないどころか、
逆に疑問が増えてしまう始末です。
以上の疑問を私でも理解できるように説明できる方がいらっしゃれば
ご享受、願います。

回答No.12

SOGYO

1.往復ビンタって痛いですよね．
　電流が仕事をするときに必要なのは，一方向に流れていることではなく
　速度を持っていることです．同じ電子が繰り返し仕事をしても問題はありません．

2.直流モーターと交流モーターは構造が違います．
　直流モーターはブラシ(機械接点)を使って電流の流れる向きを変えることで
　回転しています．交流ならそもそも流れる向きが一定ではないので
　ブラシがありません．
　(ちなみに，直流モーターに交流電源をつなぐとおっしゃるとおりになりますが)

3.自由電子は移動していますが，ある点を原点として往復運動を繰り返します．
　同じ電子が繰り返し仕事をするイメージです．

4.現在の交流電圧計ですと，内部で一度直流に変換してから電圧を測っているようですね．

回答No.11

ruto

1.極座標的にいえば反時計方向に即ち1方向に回転します。
　平均値的には確かに0です。電力は（有効電流)^2・抵抗値なので、電流の±は関係ありません。
２、単相モータは起動トルクがないので回転するにはそれなりの装置が必要です。
　分相始動、コンデンサ始動、くまとり巻き線型などで起動トルクをえています。
４、それはテスター内で整流して、交流を直流にして換算して目盛っているからです。

回答No.10

中村 拓男（@tknakamuri）

No.9 の内容ですが、ちょっと気になったので補足します。

1) 行くときに秒速３０万キロで行き、戻るときにまた秒速３０万キロで戻るので

これは電線に電場(電圧)が伝わってゆく速度です。光速の半分位になることが多いですね。
電子の速度ではないことに注意！

３）あっちへ行ったり、こっちへ戻ったりしています。スピードは光速ではなく、
歩くスピードくらいだったと思います。

家庭電化製品の場合 0.1mm/s(時速36センチ) というようなオーダになります。
かたつむり位かな？ なので、交流だと電子は一箇所でぶるぶるしてます(^^;

回答No.9

noname#194996

１）行ったり来たりしているだけで
流れていない事になります。

行くときに秒速３０万キロで行き、戻るときにまた秒速３０万キロで戻るので、５０ヘルツなら３千キロづつ往復していることになります。立派に流れているのです。その激しい流れで仕事は十分出来ます。

２、直流で作動するモーターは極性を逆にすると回転も逆になりますが
交流は、なぜそうならないのでしょうか？

交流は一言で言うと巨大な磁石がぶんぶん回転して、そのそばにコイルを置いて電気を作るのです。（そのために正弦波の出力になるのです。）

出来た電気を工夫して、その回転する磁力線が丸い枠のなかで再現できるようにし、それに磁性体をひきつけて回転をさせるようにしたのが交流モータの原理です。

＞私の理解では小刻みな正逆回転を繰り返すはずですが
こういう電気器具もあります。ブラウンなどの電気シェーバーです。回転ではなく振動ですが。

３）交流は「自由電子の移動」という観点からみると、
どう説明されるのでしょうか？

あっちへ行ったり、こっちへ戻ったりしています。スピードは光速ではなく、歩くスピードくらいだったと思います。

４）平均が表示されているとすれば０Ｖに
なるのではないでしょうか？

戻るときも、反対方向に流れるだけで、仕事は同じようにしています。したがって、折り返して合算します。
脈流として考えるので、ならしたら１００Ｖくらいになるようです。

回答No.8

fxq11011

磁界の向きと、電流の向きの関係が同じなら、生じる力の向きは同じ。
巻き線型のモーターなら、交流では、界磁と回転子の電流の向きが同時に変わる（磁界の向きも同時に変わるため）発生する力の向きは同じ。
例？　斜め４５°の鏡に左から光（電流）を当てると、上に反射します、右から当てると？、電流の向きが変わると磁界の向き（鏡の傾き）が変わるため、反対側４５°になり光は上に反射（力の方向）、これと似たような関係です。
直巻き、（界磁コイルと回転子コイルを直列接続）では接続位置を逆（例えば、界磁コイルの右に接続、と左に接続）にすれば、交流でも逆転します。

回答No.7

poohhoop

理解できないという意味が「イメージがつかみにくい」ということで考えて回答します。

>１、直流であれば電流の方向は一定ですが、前述の回路図のように
>電流が右回りと左回りを繰り返すのであれば、行ったり来たりしているだけで
>流れていない事になります。
>（一秒間に５０回とか６０回も入れ替わっているのですから）
>にも関わらず交流電流が仕事をするのは、なぜなのでしょうか？

イメージできるたとえをいくつか。
・団扇は往復運動で風を送るという仕事をします。
・自転車をこぐ動作も往復運動です。
押す時と戻す時で仕事をして、連続した回転運動を得ます。
往復運動で仕事をする例はたくさんあります。
往復運動を回転運動に変換する装置があれば簡単に仕事をすることができます。

>２、直流で作動するモーターは極性を逆にすると回転も逆になりますが
>交流は、なぜそうならないのでしょうか？
>ＡＣアダプターなど電源装置で整流してから直流で作動する電気製品も
>多いのは承知していますが洗濯機は交流で稼動している製品が多いそうです。
>私の理解では小刻みな正逆回転を繰り返すはずですが、
>なぜそうならないなのでしょうか？

小刻みな正逆回転を上手に動かしてやると同じ方向への回転にすることができます。
上の例がそれです。高速での正逆も低速での正逆も原理的には同じです。
単相交流の場合は最初に回した方向にまわりだします。三相の場合はコイルをうまく配置すると磁界が回転しますので簡単にモーターの機能を得ることができます。
むしろ直流のほうが回転させるのが難しく、ブラシや電子回路で無理やり交流を作って回しています。

>３、直流であれば「電流の方向と大きさは常に一定」と分かりやすく、
>そのメカニズムも「マイナス極からプラス極への自由電子の移動」と
>理解できますが、交流は「自由電子の移動」という観点からみると、
>どう説明されるのでしょうか？

自由電子が行ったり来たりということでは理解でき無いでしょうか？

>４、正弦波の図によればプラスとマイナスが絶えず入れ替わっていますが
>（最大値は１４１Ｖ）、なぜサーキットテスターで測定すると実行値１００Ｖと
>安定した測定値になるのでしょうか？
>数値の変化を追いきれずに平均が表示されているとすれば０Ｖに
>なるのではないでしょうか？

これは絶えず入れ替わっている力の方向を同じにするよう工夫をしています。
・ダイオード等の整流器を利用する。
・電磁石にくっつく鉄の力は磁極がＮ極でもＳ極でも同じ方向に吸付きますので鉄片につながった指針は一方向をさします。
実効値を指すのはそのように作ってあるということでしょうか。

お礼

「喩え」で解説していただき分かりやすかったです。
「また交流モーターより直流モーターの方が回転させるのが難しい」
というのは私にとって意外な事実でした。
すべての項目に丁寧な回答をありがとうございました。

回答No.6

fujiyama32

回答の続き
解説図の2つ目を貼ります。

回答No.5

fujiyama32

1)の回答です。

電流が入れ代わると同時に電圧も入れ代わります。
実際には電圧があるから電流が発生すると考えます。
電圧がプラスマイナスに入れ代わるので、電流も同時に入れ代わると
考えると良いでしょう。

このような状態ですので、行った時も仕事(*1)をするし、
来たりする時も仕事(*2)していると考えます。

(*1)次の計算式で考えると良いでしょう。
＋電圧×＋電流＝＋電力

(*2)同様に次の計算式で考えると良いでしょう。
－電圧×－電流＝＋電力

解説書の電圧や電流の波形に電力(＝電圧×電流)の波形(網を入れた
波形の図)を考慮した解説図を貼り付けましたので、参考にして下さい。
都合により図は2回に別けます。

なお、同じような図解のある解説書もありますので、図書館等にて
探して、参考にすると良いでしょう。

電力の図解の説明は次の通りです。

1)電球やヒータ(抵抗器)の場合
電球やヒータの場合は電圧波形の変化と電流波形の変化は遅れ進み
がない状態(同相と言います)で流れます。
このため、(*1)と(*2)の状態が繰り返します。
(*2)の状態でも電力は＋方向(マイナス×マイナス＝プラス)になり
ますので、電力が消費されていることが判ります。

電力が消費されていることは仕事をしていることです。
電球の場合は電気エネルギーが光や熱に変換して仕事をしたこと
になります。

2)コイルの場合(純粋なコイル成分のみとします)
抵抗が0Ωのコイルは電圧波形より90度遅れて電流が流れる電気的
特性があります。
この特性のため、電圧が＋でも電流が－の状態や電圧が－で、電流
が＋の状態もあります。
いずれもこの状態ではマイナスの電力となりますが、電圧と電流共
に＋、電圧と電流共に－の状態があり、この状態の時はプラスの
電力となります。
この状態が交互に繰り返されるため、平均すると電力は消費されな
いことになります。

また、次のように考えても良いでしょう。
電力がプラスの周期では、コイルに電流が流れ、コイルにエネルギー
が蓄えられます。
電力がマイナスの周期になりますとコイルに蓄えられたエネルギー
が放出されて、結果的にプラスマイナスゼロとなり、電力は消費さ
れないことになります。

3)コンデンサの場合
コンデンサには電圧波形より90度進んだ電流が流れる電気的特性が
あります。
2)と同様にコンデンサにエネルギーが蓄えられる周期と放出する
周期が繰り返されるため、電力は消費されません。

4)モータの場合
一般的な交流モータはコイル成分に小さな抵抗が直列に接続された
構成となっていると考えます。
この成分により電流波形は電圧波形より多少遅れた状態となります。
この状態ですと図解のようにマイナスの電力よりプラスの電力の方
がかなり大きい状態となります。
差し引き電力は消費されて仕事をしていることになります。
モータの場合は電気エネルギーを回転力に変換して仕事をしていま
す。
仕事の例としては扇風機、洗濯機、冷蔵庫などがあります。
加えて、モータ自身の損失として、熱を持つことや騒音を発生させて
いる等にエネルギーを消費しています。

お礼

文章と波形図を拝見した直後は「なるほどぉ～」と思いましたが、
文面の結論は頭に入っても、その過程の説明があまり理解できていない事に
気づきました。
もう少し基本的な事を理解してから解読（？）を試みようと思います。
長文の回答、ありがとうございました。

回答No.4

中村 拓男（@tknakamuri）

極性というものに誤解が有る気がしますが、取りあえず説明します。

1. 電流は流れれば仕事ができます。電流が逆に流れると
正に流れた時の仕事を打ち消すというような考えをお持ちのようですが、
それはおかしな考え方です。

例えば電球はタングステン原子に電子が衝突して、電子がタングステンに
熱エネルギーを与えるために点灯します。電子が逆に流れたらタングステン
から熱が吸い出されるわけではありません。

2. 最近の家庭用電気製品は インバータ式の同期モータが多いので、
基本的に直流モータです。つまり、中で交流をいったん直流に直して
それを電子回路でスイッチングして使っています。
交流から直接回転磁界を作るタイプのモータもあります。
　 このあたりは誘導電動機などを学習してみてください。

>私の理解では小刻みな正逆回転を繰り返すはずです

なんとなく想像されているものが判りますが、誘導モータなどの交流モータは
直流モータとは全く異なるものなのです。まずその構造を学習することをお勧めします。
もちろん電磁誘導に関する基礎知識が必要です。

3. 金属中では自由電子がいったりきたりしていると考えて問題ないと思います。

4. 「平均が表示されている」というのは正しいですね。テスターは一定期間で計測した
値を表示しています。瞬間値ではありません。

交流の電圧計は実効値(root mean square value, RMS) を計測する装置です。

実効値(root mean square value, RMS) とは電圧の2乗の平均の平方根です。

電圧を V = Asin(ωt) つまり正弦波とすると、
　 V^2 = A^2・(1/2)(1-cos(2ωt)) なので、交流の周期より十分長い期間では
V^2の平均値 = (1/2)・A^2 なので
　 実効値 = √(V^2の平均値) = (1/√(2))・A = 0.707 A

なのでピーク値が 141V なら RMS は 100V になります。

交流電圧系は実効値を計測するように作られていて、直流電圧系とは構造が異なります。

お礼

すべての疑問項目に丁寧な解説をしていただき、ありがとうございました。

補足

電流とは「乾電池のようにプラスからマイナスへの向きがある」
という固定観念にとらわれていました。
自由電子は必ずしもマイナス極から出てプラス極へ帰らなくても
往復する動き自体が（向きに関わらず）流れとなり
仕事をするのですね。
モーターに関しても直流モーターしか知らなかったので
誤解していた事が分かりました。

回答No.3

taunamlz

１、普通に音楽を聴くアンプやスピーカーで２０ｋＨｚ（２００００Ｈｚの交流）
電子レンジが２．４５ＧＨｚ（２，４５０，０００，０００Ｈｚの交流）
５０回、６０回だと電気にしてみれば「１秒間にたった５０回しか入れ替わっていない」です。
電気は光の速度で伝わります。（電子は遅いですけどね）

２．モーターについては詳しく有りませんが、交流で動くように作られたモーターだからです。
インダクションモータというらしいです。
ちなみに、３相交流のモーターが一番単純で、直流のモーターはそこそこ複雑だったはずです。
つまり、あなたの身近にあったモーターが直流モーターだったから、基準が直流モーターになったというだけの話かと思います。

３．同じです。直流でスイッチを入り切りしたと思ってください。
電気にとって５０Ｈｚは超スローモーションです。
ちなみにあなたが直流だと思っているものも厳密には交流になります。
懐中電灯を５０秒点灯して消しました。これは０．０１Ｈｚの交流です。
同様に５秒で０．１Ｈｚ、０．５秒で１Ｈｚ、０．０５秒で１０Ｈｚ、０．０１秒で５０Ｈｚになります。
何ヘルツから理解できなくなりますか？

４．整流してから測定してるからです。
＞数値の変化を追いきれずに平均が表示されているとすれば０Ｖになるのではないでしょうか？
直流のレンジで測定すると０Ｖを表示します。（実験するときは測定するものの電圧とテスタの耐圧を確認すること）

お礼

（私にとって）予想外のアプローチでの回答で興味深かったです。
すべての項目に回答をいただき、ありがとうございました。