交流回路の電気の方向は？

質問

電気回路のある部分において、電気がどちらに向かって流れているか（どっちが上位か）は、直流の場合は、そこの電位（＋か－か）を見ればわかりますが、交流の場合はどう考えればいいのでしょうか？

交流は、その方向を周波数のサイクルで、正逆反転してるわけですから、回路のある一箇所を見たときに、そこで電気がどちらから流れてきているのか（どちらが上位なのか）は、どうやって判断すればいいのでしょうか？

回答No.38

sou_tarou · ベストアンサー

＞つまり力率cosθがマイナスの場合ということでしょうか？
その通りです。
マイナスの場合は電源に向かって電力が送られています。

位相を考える場合は方向が大切です。
参考ＵＲＬの回路図　第４図を見てください。
電圧を基準として電源から負荷に向かって流れる時を同相方向とするように回路図に矢印が記入されています。

回路図の負荷はＲ＋Ｌですが、Ｒ分だけだとすると
電圧と電流は同相（位相０°）になります。電源から負荷に対して電力が送られています。
仮にＲ分しかない負荷なのに電圧に対して電流が反対の位相（位相が１８０°）だとすると
ｃｏｓθがマイナスということになり　電源に対して電力が送られていることになります。

＞それは、VとIの位相差がどうなっているときでしょうか？
ＶとＩの位相が９０度を超えている場合です。
ＬまたはＣ分　とＲ分の電流が流れているのです。
ただし、電源方向に向かってＲ分の電流が流れるので、電圧基準でみると９０°または－９０°を超えている状態になります。

電源と言っていますが、電力系統に接続されている負荷＋発電設備　をいうのをざっくり話しているつもりです。

参考URL：

http://www.jeea.or.jp/course/contents/01105/

お礼

ご回答ありがとうございます。

>ＶとＩの位相が９０度を超えている場合です。

私が知りたかったのは、まさにこの回答です！！！

つまりθが±９０度を超えるとcosθはマイナスとなり、結果、Pはマイナスになるので、電力の方向は逆転するということですね！！

わかりました。すっきりしました！！！

回答No.7

noname#212313

交流といってもいろいろなので、単相交流で考えてみます。

　コンセントは二つの電極がありますね。その二つに交流電気が来ています。単純化すると、一方には「～」のように交流が来ており平均が100ボルト、片方は「―」といつも0ボルト（※アースのようなもの）だと考えていいです。

　直流だと一方向に流れる速さで、水で言えば押し流す力だと考えればいいですが、交流は押したり引いたりで揺さぶっています。水面の波であれば、そこに浮いているものは水平方向に移動しませんが、上下動しています。その揺さぶる力、上下動を起こすが交流だということです。

　水面の波なら、その水面の高さを『仮に』0だとします。でも、水が例えば池だとして、低地にある池でも、高い山にある池でも、水面の波は、波が起こっている池の水面を基準にします（その場所の標高に関係なく、波の高さ0とする）。同じように一応は交流も真中を0ボルトとして、そこを中心に揺れています。

　例えば、一定の高い直流電圧がかかっていて、そこに僅かな電圧の上下が生じて、それを交流電源とすることもあります（※個人的な経験ですが、交流電源に高い直流電圧がかかっているのに気づかず、ショートさせてしまったときに、ちょっとした予想外の事故を起こしたことがある）。

　そんな風に、直流と交流は同じ電気とはいっても、全く異なるものになっています。直流には固定した正負があって、どちらが上流・下流なのか決められます。でも、交流は押したり引いたり、あるいはその場で上下動する波なので、どちら向きなのかということ自体がないのです。

P.S.

　ごく短い時間なら、「今、0からプラスへ増えつつある」「減りつつあるがまだプラス」「0からマイナスへ（以下同様）」といった現象として考えることができます。そういう見方をする場合は、直流と同じように正負が決められ、電流がどちらに流れているか決めることができます。

　電圧が変動しない直流にはないことですが、交流では電圧と電流が比例しないことがあります。電圧の波「～」と電流の波「～」がずれるということです（※ずれの程度を力率と呼んでいて、電圧と電流の波が完全一致なら1、その逆が0）。ずれが少ないほど、交流は『効率よく』使われています。

　なお『効率よく』というのは「少ない消費電力で機械がよく動く」という省エネとは無関係で、「加わった電圧通りに電力消費される」という意味しかありません。例えば、交流をショートさせてしまうと『効率が最高によい』となり、ショートした部分を切り離せば（つまり絶縁）『効率が最低に悪い』となります。

お礼

ご説明ありがとうございます。

交流という電気の特徴はなんとなく理解できました。

ただ、私が知りたいのは、回路内において、電気（電力）の方向をどうやって知るかということです。
直流でも交流でも、電気（電力）は、やはり電源→負荷という方向になると思うのですが、その調べ方です。

回答No.6

ORUKA1951

「電流＝電子の流れ」という誤解は理科の先生でも信じていらっしゃる方がいるので無理はないですが・・・。電流の実体は電子という間違いだけはなさらない様に。

　（電気が流れる）電流とは、あくまで電荷の移動です。電荷は一瞬にして移動しますが、電子の速度なんて通常はカタツムリの歩み程度しかありません。電流はイオンや荷電粒子も担い手になります。
　もし電子の速度＝電流だとしたら、歩みの遅い電子が一瞬にして他方に電荷を移動させる理由の説明ができません。

　大事な事は電荷が移動するとその周囲に磁界が現れる。
　　 ↓
←↑―― 電流(電荷)　　いわゆる右ネジの法則( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%B3%E3%81%AD%E3%81%98%E3%81%AE%E6%B3%95%E5%89%87 )
　磁場

　それは方位磁石ですぐに調べられます。

1) 電線の一方に電圧が加わります。
2) 電圧の変化は電場の変化として、導体内を高速で他方に伝わります。
3) 導体内の電荷をもつ粒子はその電場の変化によって圧力を受けて移動を始めます。
4) 電圧が逆転すると電場の変化の信号は高速で他端に向かって伝わっていきます。
5) その変化によって電荷を持つ粒子は反対に移動を始めます。

　水道ホースで説明すると、一端に鼓膜のような幕を貼ってそれを振動させると考えてください。膜が押されると、その圧力は音波としてホース内を進んでいきます。その圧力の変化によって水分子は(例えば右に)移動します。今度は膜を引くとやはり圧力の変化としてホース内を伝わりますから、その信号が伝わった水分子は今度は左に移動します。
　これって水中を音波が伝わっている現象そのものです。水分子（電子）はその場にとどまっていますが、音波(電気)は他方に伝わっています。
　導体の場合はこれが、その導体内を伝わる光速で伝わるということ。

※電気の流れ≠電子です。交流の場合は電子はその場から移動はしません。周囲の電場の振動に合わせて振動しているに過ぎません。電気は移動しますが電子は移動しません。　

※オシロスコープは二点の電圧の変化を測定するもので電流の向きを測定する装置ではありません。
　電流の向きは電流が流れている導体の周囲の磁場を観察すれば直接知ることができます。
右ねじの法則( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%B3%E3%81%AD%E3%81%98%E3%81%AE%E6%B3%95%E5%89%87 )

お礼

詳しいご説明ありがとうございます。
とても勉強になりました。

ただ、私が知りたいのは「電力の流れの方向」です。。。

回答No.5

Nebusoku3

オシロスコープでそれが観察できます。　ただし、　その際、接地側、アース側の扱いが知識を要し、交流の場合は接続を間違えるとショート、感電、機器破損をおこす恐れがあります。
（実際はプローブと言う測定端を２本使用し、オルタネートという方法で測定します。　どちらかをアース側として定義できる。）

いずれにしても測定の基本になるのは　接地側、アース側（GND側）　から見てどれくらいと言う判断になります。

お礼

ご回答ありがとうございます。

オシロスコープの使い方、参考にさせていただきます。

回答No.4

Nebusoku3

回答としては　No3の方ので合っているのですが、イメージが湧かないようなので書いてみます。

基本的に電流は　＋　から　-　に流れると思っていていいと思います。（電子に関する振る舞いを知るのはそのイメージが出来てからで十分です。）

電気を通すのは金属の様な「導体」　と呼ばれるものです。（半導体の概念は置いときますね。）　導体の中には　「キャリア」　という電気を伝えるものが、端から端まで、いっぱい入っていると思ってください。

その　「キャリア」　はいっぱいつまっているので　導体の片方に　＋　、もう一方に　-　をつなぐと　＋　側の電源から　別の　「キャリア」　が導体に押し込まれた時に同じ量の　「キャリア」　が導体の反対　－　側の電源から　吸い込まれます。
●直流の場合は　＋　－　が固定なので一方にしか伝わりません。
●交流の場合は　＋　－　が　交互に変わるので（これが交流の由来）　No3　の方は　「押したり、引いたり」　という表現をされていたのですが、（それも全く正しいです）　
ここでは　「＋　になった側から反対方向へ交互に押し合う」　と考えた方が分かりやすいかもしれないですね。

＞回路のある一箇所を見たときに、そこで電気がどちらから流れてきているのか（どちらが上位なのか）は、どうやって判断すればいいのでしょうか？
何に対して　上位　であるかは交流では　あまり　意味を成しません。　でもその動作を観察したいのであれば、　「オシロスコープ」　と言う、目に見えない電流や電圧を可視化し、測定するものがあります。

日本における商用交流は　関東圏の５０Hz　と　関西圏の　６０Hz　があります。　これは　１秒間に　５０回　あるいは　６０回　＋　と　－　が入れ替わっていることになります。　その変化する速度を確認するには　「オシロスコープ」　の様な測定器を使って　観察します。

「オシロスコープ」　の測定端子を　知りたい回路のある一箇所に　接続し、表示された波形で、いまその部分にはどの方向のどれだけの電圧がかかっているかを観察します。　回路に細工をすれば電流も観察できます。　
更に興味を持たれたならその様な本を（やさしい交流の話　みたいなタイトルの）　あるいは　「オシロスコープ」に関する本　を図書館や本屋で探し、見てみるといいです。　奥が深いですよ。　でも概念が分かれば面白いかもしれません。

お礼

ご回答ありがとございます。

>何に対して　上位　であるかは交流では　あまり　意味を成しません。

電源にひとつの負荷がつながっているだけの単純な回路でもやはり負荷側から見たら電源から電気（電力）が負荷に向かって供給されているので、電源が「上位」になると思うのですが、この「電力」がどちらからどちらに向かっているのか、その方向はどうやって調べるのかが知りたいです。

オシロスコープでそれがわかるのでしょうか？

たしかにオシロスコープ

回答No.3

Tann3

「電気はプラスからマイナスに流れる」、しかし実際には「電子の流れ」なので「マイナスからプラスに流れる」というイメージで考えている限り、正確なイメージは描けません。

　「電子がマイナスからプラスに流れる」といっても、同じ一つの電子が「光速で」流れている訳ではありません。
　イメージとしては、電子がとなりの電子を押し、その電子がそのまたとなりの電子を押し、という風に、ところてん式に端を押したら向こう側の端から電子が押し出された、その「場の伝達」が光速度ということです。
　「流れる」というのとちょっと違うということを理解してください。

　交流の場合は、「押す」という動作と、「引く」という動作の両方があると考えてください。
　ところてん式に、こちらの端を押したら向こう側の端から電子が押し出された、こちらの端を引いたら向こう側の端から電子が吸い込まれた、という風に考えてみてください。
　「流れている」というより、「波が振動している」と考えてもよいかもしれません。水面の波は、上がったり下がったりして拡がって行きますが、水が向こうへ流れたりこちらに流れたりしているわけではありません。

　直流は「押しの一手」、交流は「押したり引いたり」というイメージです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

物質内の電子の動きをミクロ的に見たら、仰るとおりの動きなんだろうと理解はできます。

直流は、電源から負荷に向かって「押し」てるのは理解できますが、交流は電源から負荷に向かって「押したり引いたり」？？？

このへんがよくわかりません・・・

回答No.2

Cupper-2

んーと。電気の仕事量という形で考えましょう。
極性を考える必要は無いんです。

実際に使われる電力として考慮するのが交流回路です。
電流の流れの向きがそのまま仕事量というわけではありませんからね。

さて、ではどのようにしてその仕事量を計算するのかというと
電流と電圧の実効値と力率から計算するんです。
交流波形はプラスとマイナス側に交互に振れるので、この場合は半周期の波形に着目して考えます。
このとき最も大きく振れているときの値を最大値とします。
交流波形が正弦波であるならば実効値の計算方法は次の通りです。（とりあえず電圧で）
　　実効値（Ｖe）＝最大値（Ｖｍ）÷√２
となります。
商用電源の１００Ｖというのは、この実効値を示していて、最大値は１４１．４Ｖくらいになります。
そしてこの電圧の実効値に電流の実効値を掛ければ電力になります。（この場合、皮相電力といいます）
力率を考慮していない理想の電力といえます。

で、質問者さんが知りたい内容とかけ離れてしまいましたので元に戻りますね。

普通の交流回路では電流や電圧の向きは考えません。
そういう回路構成になっています。
極性を考える必要があるのは、交流を直流に変換する回路だけと考えてＯＫ。

はじめは戸惑うかもしれませんが、慣れれば「こんなもの」と思えるようになりますよ。

お礼

ご回答ありがとうございます。

電圧、電流、力率をもとにした交流理論としての考え方は、それはそれなりにそういうものかとわかるのですが。

じゃあ、実際の交流回路で、電源と負荷があり、その間の回路の１点を見たとき、電気は電源側から負荷側へ供給されている、つまり電気の流れ（電流の流れではなく）としては、電源→負荷になると思うのですが、それは実際の回路の何をもとにしてわかるのでしょうか？

回答No.1

ORUKA1951

方位磁石を傍に置けばよい。
例えば、波長と同じ長さの導体の一方に交流をかけると、中央では触れないが、左右では逆に触れる。

お礼

ありがとうございます。