交流（AC）とは何ですか？

電気のほとんどの学生は、直流として知られているものから勉強を始めます。 （DC）は、一定の方向に流れる電気、および/または一定の極性の電圧を持っている電気です。

DCは、バッテリー（明確な正と負の端子を持つ）によって生成される電気の種類、または特定の種類の材料を互いにこすり合わせることによって生成される電荷​​の種類です。

交流と直流

DCは便利で理解しやすいものですが、使用されている電気の「種類」はDCだけではありません。特定の電源（特に回転式電気機械式発電機）は、自然に極性が交互に変化する電圧を生成し、時間の経過とともに正と負が反転します。

電圧スイッチングの極性として、または前後の電流スイッチング方向として、この「種類」の電気は交流（AC）として知られています。

直流と交流

おなじみのバッテリー記号はDC電圧源の一般的な記号として使用されますが、内側に波線のある円はAC電圧源の一般的な記号です。

なぜ誰もがACのようなものに悩まされるのだろうかと思うかもしれません。確かに、ACはDCよりも実用的な利点がない場合があります。

電気を使用してエネルギーを熱の形で放散するアプリケーションでは、負荷に必要な熱を生成するのに十分な電圧と電流がある限り、電流の極性や方向は関係ありません（消費電力）。ただし、ACを使用すると、DCよりもはるかに効率的な発電機、モーター、配電システムを構築できるため、ACは世界中の高電力アプリケーションで主に使用されています。

その理由の詳細を説明するには、ACに関する背景知識が少し必要です。

ACオルタネーター

シャフトを回転させて静止したワイヤーコイルのセットの周りで磁場を回転させるように機械が構築されている場合、ファラデーの電磁誘導の法則に従って、シャフトが回転するとワイヤーコイルの両端にAC電圧が生成されます。

これは、オルタネーターとしても知られるAC発電機の基本的な動作原理です。 ：下の図

オルタネーター操作

回転する磁石の反対の極が通り過ぎると、ワイヤーコイルの両端の電圧の極性がどのように反転するかに注目してください。

負荷に接続すると、この逆電圧極性により、回路に逆電流方向が作成されます。オルタネーターのシャフトが速く回転するほど、磁石の回転が速くなり、一定の時間内により頻繁に方向を切り替える交流電圧と電流が発生します。

DC発電機は電磁誘導の同じ一般原理で動作しますが、その構造はAC発電機ほど単純ではありません。

DC発電機では、ワイヤーのコイルは、磁石がACオルタネーター上にあるシャフトに取り付けられ、回転シャフトの銅ストリップに接触する固定カーボン「ブラシ」を介してこの回転コイルに電気接続が行われます。

これはすべて、コイルの変化する出力極性を外部回路に切り替えて、外部回路が一定の極性を認識できるようにするために必要です。

DCジェネレーターの操作

上に示した発電機は、シャフトの回転ごとに2つの電圧パルスを生成します。両方のパルスは同じ方向（極性）です。 DC発電機が一定を生成するために 1/2回転ごとに1回の短い電圧パルスではなく、複数のコイルセットがブラシと断続的に接触します。

上に示した図は、実際に表示される図よりも少し単純化されています。

特に発電機のシャフトが高速で回転している場合、可動コイルとの電気的接触の確立と切断に伴う問題（火花と熱）は明らかです。機械の周囲の雰囲気に可燃性または爆発性の蒸気が含まれている場合、火花を発生させるブラシ接触の実際的な問題はさらに大きくなります。

AC発電機（オルタネーター）は、動作するのにブラシや整流子を必要としないため、DC発電機で発生するこれらの問題の影響を受けません。

ACモーター

発電機の設計に関するDCに対するACの利点は、電気モーターにも反映されています。

DCモーターでは、ワイヤーの可動コイルと電気的に接触するためにブラシを使用する必要がありますが、ACモーターでは必要ありません。実際、ACモーターとDCモーターの設計は、対応する発電機と非常によく似ています（このチュートリアルでは同じです）。ACモーターは、静止したワイヤーのコイルに交流電流を流して回転する磁石を回転させることによって生成される逆転磁場に依存しています。シャフトの周りにあり、DCモーターは、1/2回転（180度）ごとに回転コイルを流れる電流を逆にするための接続を確立および切断するブラシ接点に依存しています。

トランスフォーマー

したがって、AC発電機とACモーターは、DC発電機とDCモーターよりも単純である傾向があることがわかっています。この比較的単純なことは、信頼性の向上と製造コストの削減につながります。しかし、ACは他に何に適していますか？確かに、発電機やモーターの設計の詳細以上のものがあるはずです！確かにあります。

相互誘導として知られる電磁気の効果があります これにより、一方によって生成された変化する磁場が他方に電圧を誘導するように配置されたワイヤの2つ以上のコイル。相互に誘導コイルが2つあり、一方のコイルにACを印加すると、もう一方のコイルにAC電圧が発生します。このように使用する場合、このデバイスはトランスフォーマーと呼ばれます。 ：

変圧器はAC電圧と電流を「変換」します。

変圧器の基本的な重要性は、電力が供給されているコイルから電力が供給されていないコイルに電圧を上げたり下げたりする能力です。電力が供給されていない（「二次」）コイルに誘導されるAC電圧は、電力が供給されている（「一次」）コイルの両端のAC電圧に、二次コイルの巻数と一次コイルの巻数の比率を掛けたものに等しくなります。

二次コイルが負荷に電力を供給している場合、二次コイルを流れる電流は正反対です。一次コイル電流に一次巻線と二次巻線の比率を掛けたものです。この関係は、トルクと速度を使用してそれぞれ電圧と電流を表すという、非常に密接な機械的類似性を持っています。

速度増倍ギアトレインは、トルクを下げて速度を上げます。降圧変圧器は、電圧を下げ、電流を上げます。

一次コイルの巻数が二次コイルよりも少なくなるように巻線比を逆にすると、変圧器は負荷で電圧をソースレベルからより高いレベルに「ステップアップ」します。

減速ギアトレインは、トルクを上げたり下げたりします。ステップアップトランスは、電圧を上げ、電流を下げます。

AC電圧を簡単に上下させる変圧器の機能により、ACは、下の図の配電の分野でDCに比類のない利点をもたらします。

長距離に電力を伝送する場合は、電圧を上げて電流を下げて（抵抗力の損失が少ない小径のワイヤ）、電圧を下げて電流を上げる方がはるかに効率的です。業界、ビジネス、または消費者の使用。

変圧器は、電気エネルギーの効率的な長距離高電圧伝送を可能にします。

変圧器技術により、長距離配電が実用化されました。電圧を効率的に上下させる機能がなければ、近距離（最大で数マイル以内）で使用する以外の電力システムを構築するのはコストがかかりすぎます。

変圧器は便利ですが、DCではなくACでのみ機能します。相互インダクタンスの現象は変化に依存しているためです 磁場、および直流（DC）は定常磁場しか生成できないため、変圧器は直流では機能しません。

もちろん、直流は変圧器の一次巻線を介して遮断（パルス）され、変化する磁場を生成する可能性があります（自動車の点火システムで行われ、低電圧DCバッテリーから高電圧スパークプラグ電力を生成します）が、パルスDCはACとそれほど違いはありません。

おそらく他のどの理由よりも、これがACが電力システムでそのような広範なアプリケーションを見つける理由です。

レビュー：

• DCは「直流」の略で、時間の経過とともにそれぞれ一定の極性または方向を維持する電圧または電流を意味します。
• ACは「交流」の略で、時間の経過とともに極性または方向がそれぞれ変化する電圧または電流を意味します。
• AC電気機械式発電機。オルタネーターとして知られています。 、DC電気機械式発電機よりも構造が簡単です。
• ACおよびDCモーターの設計は、それぞれの発電機の設計原則に非常に厳密に従っています。
• トランスフォーマー は、一方のコイルからもう一方のコイルにAC電力を伝送するために使用される相互誘導コイルのペアです。多くの場合、各コイルの巻き数は、電力が供給されている（一次）コイルから電力が供給されていない（二次）コイルへの電圧の増減を作成するように設定されます。
• 二次電圧=一次電圧（二次ターン/一次ターン）
• 二次電流=一次電流（一次ターン/二次ターン）

関連するワークシート：

• 基本的なAC-DC電源ワークシート
• ステップアップ、ステップダウン、および絶縁トランスのワークシート