電気の基礎

直流電源(DC)とは?交流電源(AC)とは?違いについて

このテーマに入る前に、ブレーカーが落ちる原因は電気を知れば分かるをご覧いただけると話が分かりやすいと思います。

直流電源ってどんなもの?

クマちゃん
クマちゃん
なんか最近車のエンジンの掛りが悪いのよ

ひよこくん
ひよこくん
バッテリーが弱ってるんだよ

クマちゃん
クマちゃん
修理のお店に行って交換してもらおうかな

ひよこくん
ひよこくん
ところで、車のバッテリーは直流電源なんだよ

クマちゃん
クマちゃん
さっそく修理に行ってくるね

ひよこくん
ひよこくん
よし、じゃあ直流電源の説明をするよ

ノートパソコン、ハンディークリーナー、髭剃り器、電動歯ブラシetc…、バッテリー(電池)を内蔵している電化製品はたくさんあります。そのおかげで、私たちはコンセントからコードを引っ張ってこなくても、コードレスで電化製品を使うことができます。

唐突ですが、一般アルカリ乾電池は直流電源DC:Direct Current)の1.5ボルト【V】です。上図左側の直流電源は時間が経過しても電圧は安定して1.5ボルト【V】です。

次に、家庭の電気は交流電源AC:Alternating Current)の100ボルト【V】です。交流電源は時間の経過とともに電圧がころころ変わります。

実は、電気には直流電源と交流電源の2種類があります

直流電源の代表的なものはバッテリーであり、直流電源で充電し、直流電源で電流を流しています。コードレスの電化製品にはバッテリーが必要不可欠ですが、そのバッテリーには直流電源で充電しています。

交流電源を充電することはできませんので、充電する際は交流電源を直流電源に変換しています。パソコンを充電するのにACアダプターを使うと思いますが、これは交流電源を直流電源に変換する機能があり、直流電源にて充電しているのです。

  • 電気を溜めるバッテリーは直流電源で充電し、直流電源で電流を流している

直流電源とは

上図では乾電池と電球を金属の電線で接続しています。乾電池は1.5Vの電圧を持っており、出っ張ってる方がプラスで、平べったい方がマイナスです。

電流は乾電池のプラスからマイナスに向かって上図の矢印の向きに流れます。ちなみに白熱電球は電流が電球(白熱電球)の中のフィラメントを高速で通過する際に生じる摩擦熱によって発光しています。

イメージしやすいようにお伝えすると、乾電池は電圧1.5Vのパワーを持っており、プラスからマイナスに向かって電流を流すことができる、電気を蓄えたものとなります。

電池の仕組みについて

家庭でよく見る乾電池は使うとパワーが無くなってしまう使いきりタイプです。上図はボルタ電池についての説明です。銅板と亜鉛板を電解液に浸し、電線で接続しています。

まず、亜鉛板が電解液に溶けて亜鉛イオン及び電子が発生します。亜鉛イオンは水溶液中に溶け出すのですが、電子は銅板の方へ移動します。移動してきた電子は電解液中の水素イオンと結合し、水素が発生します。

このように、亜鉛板が水溶液中に溶け出すことによって発生する電子を利用して電流を流しているのがボルタ電池の仕組みです。家庭用の乾電池も、これと仕組みはほとんど同じです。

要するに、以下のことが分かっていただけたら十分です。

  • 電気には直流電源と交流電源の2種類ある
  • 直流電源の代表的なものは乾電池やバッテリーである。
  • コードレス家電等はバッテリーを内蔵しており、直流電源にて充電され、蓄電された電気にてコードレス家電を動かしている

交流電源ってどんなもの?

ひよこくん
ひよこくん
家庭の電気は交流電源100ボルト【V】なんだけど、その交流電源についてご説明します

左側のグラフが直流電源です。それに対して、右側のグラフが交流電源(100ボルト【V】)です。交流電源とは、一定の周期で電圧のプラスとマイナスが変化する電源です。

プラス100ボルト【V】は何となくイメージできるけど、マイナス100ボルト【V】ってどういうことなのか不思議ですよね?図に書いて説明すると以下のようになります。

上の図のように、電流の向きがコロコロ変わるのが交流電源です。左側の図で説明すると、時計回りの場合は電圧がプラス、反時計回りの場合は電圧がマイナスになります。

交流電源の100ボルト【V】というのは、実効値(平均値みたいなイメージ)が100ボルト【V】であるということです。なので、右側のグラフの山の一番高い所は100ボルト【V】を超えています。

この交流電源ですが、山・谷の組み合わせが2セット、つまり2サイクルあります。ちなみに、東日本は50Hz(ヘルツ)、西日本は60Hz(ヘルツ)の周波数であるということは聞いたことがあると思いますが、これは交流電源の周波数を表しています

つまり、東日本の場合、山・谷の組み合わせが1秒間に50回あるという意味になります。交流電源は1秒間の間に目まぐるしく電圧が変わっているのです。

なぜ家庭の電気は交流電源なの?

なぜ、家庭の電気は交流電源なのでしょうか。それは次のような理由があります。

メリット①:変圧がしやすい

変圧がしやすいとは電圧を変えやすいということです。100ボルト【V】を200ボルト【V】にしたり、逆に50ボルト【V】にしたりすることが可能です。発電所では大きな電圧で送電し、家庭には電圧を下げて送電します。

このように送電を高電圧にすることにより、送電によるロスを少なくすることができます。ちなみに、直流電源は簡単には変圧できません。なので送電に向かないのです。

メリット②:事故時の電気の遮断が容易

交流電源は電圧がプラスとマイナスとコロコロ変わります。そのプラスとマイナスを行き来する際に電圧が0ボルト【V】になるタイミングがあるのですが、このタイミングを見計らって電気を遮断することにより、容易に事故時の電気を遮断することができます。

これが直流電源の場合だと、電圧が常に一定であり、交流電源のように0ボルト【V】になるタイミングが無いため、事故時の電気の遮断が難しいです。

このような理由により、家庭の電気は交流電源が使用されています

 

いかがでしたでしょうか。分かりにくい点等ありましたらコメント頂けると幸いです。

資格のことから身近なことまで、電気に関する質問を募集していますので、何かありましたらコメントまでよろしくお願いします。面白い質問があれば記事にしたいと思います。

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sumato
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電気関係の仕事をしています。設計・積算・現場管理など。資格マニアです。 【取得済】 電験三種・エネルギー管理士・第二種電気工事士・消防設備士乙6 【受験中】 1級電気工事施工管理技士(一次試験突破)・ 電験二種(一次試験突破の見込み)