直流と交流は何が違う?

私たちが使う電気にはリモコンなどに使う 乾電池の直流  と 家庭の壁の コンセント(100V)の交流 に電気製品をつないで使うものがあります。

しかし、同じ電気といってもこの2つの電気は、根本的に電気の性質が違います。

それは 電圧の違い というわけではありません。

電圧の大小は、たくさんの電池をつなげれば、たとえ1.5ボルトの乾電池でも電圧は高くすることができます。

乾電池に代表されるものは 直流 であり、壁のコンセントに来ているものは 交流 です。

電気の種類は大きく分けると、直流と交流の2種類があります。

直流の代表は乾電池

★ 乾電池に代表されるものは 図のような 直流 とよばれるものです。

直流の電源にも、乾電池や自動車のバッテリー、携帯電話などに使われているリチウムイオン電池などたくさんの種類があります。

直流の特徴は電圧の大きさと電流が流れる方向が 一定方向 になるということです。

ただし、電池などは容量が有りますので使用して電池が消耗してくると、電圧が低くなってくるということはあります。

乾電池は直流の1.5ボルト、自動車のバッテリーは直流の12ボルトあるいは24ボルトが一般的です。

■ 直流には極性がある

★ 直流電源には プラス と マイナス の極性があります。

そして、プラスとマイナスの極性は、時間が過ぎても変わるこがなく同じ極性を示します。

そのため使用する時に、極性を正しい向きで取り付けないとうまく動作しません。

懐中電灯やリモコンなど、乾電池を使うものはすべて電池の向きを正しく入れる必要があります。

コンセントに来ている電気は交流

★ 家庭のコンセントに来ている電気は図のような 交流 といわれるものです。

図を見ればわかるとおり 交流は時間の経過とともに、一定の周期をもって電気(電圧)の大きさと向きが変化します。

そして、交流の周期が1秒間に何回繰り返すかということを 周波数 といいます。

日本では 50 [Hz] と 60 [Hz] の2種類の周波数が使われています。( [Hz] ヘルツと読みます。)

★ 私たちが使っている電気機器(テレビ、パソコン、電話…)などの内部回路では交流のままでは使えないので、交流を直流に 整流 して使用します。

テレビなどの電気製品は100Vの交流を電源としていますが、テレビの中の電気回路ではほとんどが直流に変換して使われています。

家庭用の電気が交流なのは、発電所から送電する時には高い電圧で送る方が電気の損失を少なく出来るからです。

そして、家庭で使用する時には100Vのように低い電圧に変圧して使うというように、簡単に電圧を変換することが出来るからです。

★ 電気を最初に普及させるときには、トーマス・エジソンの主張する直流送電とジョージ・ウェスティングハウス、二コラ・テスラ陣営の交流送電かの「電流戦争」といわれる論争がありました。

お互いが持つ特許などの利害もありましたが、結局、変圧器を用いた電圧の変換が容易であること。

電線自体の抵抗によって送電する電流の損失はやむを得ない事ですが、電圧をより高くすれば損失が抑えられて、効率が良い。

そのため発電所からの送電は高電圧にして、家庭に配電する前に家庭で使いやすい電圧に下げられるなどの利点が多い、交流送電が普及しました。

交流を直流に変えることは容易ですが、逆に直流を交流に変えることは困難だったことも理由のひとつです。

直流と交流の記号

■ 直流の記号は、図のようになります。

直流とは プラス と マイナス の極性が変わらないことです。
2本線の長い方を プラス 短い方を マイナス といいます。
書き方は縦に書いても、横に書いても構いません。
電池の上下の線は、回路に接続する電線をイメージすると良いでしょう。

■ 交流の記号は、図のようになります。

交流とは プラス と マイナス の極性が時間と共に変わることです。 

直流と交流の波形

■ 直流の波形

図のように 100 V(ボルト) の直流の電圧は、電圧や電流の向きが同じで変わりません。

このように 向きが変わらない ということが直流の条件です。

大きさが変化することは直流の条件には関係ありません。
たとえば、電池などでは使用することで電圧が小さくなることはあります。

■ 交流の波形

これに対して、交流は時間の経過と共に電圧や電流の向きが変化します。

電圧や電流の 向きが変わる ということが交流の条件です。

■ 交流の周期と周波数

1つの波形のことを周期と呼び、1秒間に繰り返す周期のことを周波数と呼びます。
家庭のコンセントに来ている交流の電気は、関東では1秒間に50回繰り返しています。関西では60回になっています。
このように50回とか60回繰り返すことを周波数と呼び、ヘルツという単位を使います。
ですから関東の周波数は50ヘルツ、関西の周波数は60ヘルツといいます。

直流100Vと交流100Vの違い

直流100Vと交流100Vを比べてみると、直流は電圧が100Vで一定ですからわかりやすいです。
しかし、 交流の場合は時間と共に大きさと向きが変わります。 

交流100Vとはどのように決められているのでしょうか?

交流100Vは図のように 直流100Vの電源に電熱器をつないだときに発生する熱量 と 交流の電源に電熱器をつないだときに発生する熱量が同じ時 の交流の値を交流100Vとしています。

このときの交流の電圧を 実効値 といいます。

コンセントに来ている電圧は100Vですが、一般的に電圧は 実効値 で表示します。

■ 100V交流の電圧の最大値は100Vより大きい

交流100Vの波形を見ると 最大値 は約141Vあります。
これは、実効値100Vのルート2倍(\(\sqrt2\) )になります。

以上で「直流と交流は何が違う?」の説明を終わります。