物理基礎の電磁気学⑪（交流とは？）

１．導入

前回は電力を学習しました。電力は記号は何？単位は？ どうやって求める？大丈夫ですか？
さて，今日は交流を学習します。

２．交流とは？

まず，豆電球に電池をつないだとき，電流を縦軸，時間を横軸とすると， どのようなグラフになりますか？

時間に対して変化しないから横軸と平行なグラフになるね。 これが直流です。 ちなみに，直流はDCと書きますが，何の略ですか？ Cは今回の英語の試験範囲にあるっていってたけど。 そうDirect Currentですね。

では，今日のタイトルの交流はどんなグラフになるかというと， こんなグラフです。

いま数学で勉強している三角関数みたいになるんだね。 どういう意味だかわかる？マイナスになるということは， ある瞬間は電流が左に流れていると思ったら， 次の瞬間は右向きになっていて，左右左右とめまぐるしく変わっていくのです。 これが交流です。 交流はACと書きますが，Alternating Currentです。 （オルタナティブ・ロックという話は通じなかった） AC/DCという古いロックバンドを知っている人？おー，一人いますね。 有名なんですが，交流直流というバンド名！すごいね。

それで，波みたいに三角関数で表せるので，「周期」というものを表せますね。 ということは，振動数もあるのですが，交流の範囲では周波数 といいます。周波数，つまり振動数のの単位は？そう[Hz]（ヘルツ）ですね。 周期と周波数の関係は？そう逆数の関係にあります。

ちなみに，周波数は東日本が50[Hz]で，西日本が60[Hz]です。 これは昔，発電機を輸入したのが，東日本がドイツからで50[Hz]のものだった。 西日本がアメリカからで60[Hz]だったからです。 いま，例えば携帯電話の充電器なんかであれば「50/60Hz」と書いてあります。 これは50Hzでも60Hzでも大丈夫だよというサインです。 つまり，どっちでも気にしないで使える。 昔うちにあった炊飯器は後ろに切り替えスイッチがあったのです。 東日本で使うときはこっち，西日本ではこっちと切り替えなければならなかった。 この違いが問題となったのを知ってますか？ 東日本大震災のときで，福島の原発がストップして， 東日本の電力が足りなくなって，西日本からもってきたいのだけど， 周波数が違うので簡単にはいかなかったのですね。

３．交流の発生

では，どうやって交流を発生させているかって， 原理としてはとても簡単なんです。 ちなみに，君たち自転車のライトの発電を知っている？ （このタイプの発電機が減っていて，クラスに1人か2人知らなくなっている･･･） あの付けると漕ぐのが重たくなるやつですよ。 まあ手回し発電機はわかるよね。 基本的には磁石とコイルがあれば発電できるのです。

まず，モーターがどうしてまわるのかわかっている？ 磁石の間にコイルを置いて，コイルに電流を流すと力が働いてまわる。 つまり，コイルに電流 in 磁場　→　力（動く）という流れ。 この流れを逆にしたのが発電機。 コイルに力（動く） in 磁場　→　電流という流れです。 この流れを電磁誘導といいます。

マイクとスピーカーはどちらに当てはまりますか？ マイクは電磁誘導で，スピーカーは上の方だね。 スピーカーはコイルに電流が流れて，スピーカーの膜が動くことで音をつくりだしている。 マイクは「あー」というと膜が揺れて，コイルが磁場のなかで動くことで電流が流れる。 全く逆の動きなのです。だから装置は同じ。 イヤホンをマイク端子に接続して「あー」といえばマイクになるよ。

というわけで，磁石の間でコイルをまわしてあげると， 交流が発生します。詳しくは高校3年で学習します。

４．交流の実効値

しかし，こんなサインのグラフになると平均はいくら？ そうだよね，電流も電圧も平均すると0になってしまう。 でも，電球をつなげば光る。つまり，電力はあるのですね。 電力＝電流×電圧だったので， それぞれのグラフをかけてみるよ。 どんなグラフになる？
生徒：「･･･」
1点1点取り出してかけてあげればいいんだよ。 0秒のときは，ともに0だから0。
1/4Tのときは，ともにプラスだから＋I0V0。
1/2Tのときは，ともに0だから0。
3/4Tのときは，ともにマイナスだから＋I0V0。
Tのときは，ともに0だから0。
だから，電力はこのようなグラフになるのです。

では電力の平均値はどうなるかというと，1/2I0V0。 つまり，電力は最大値I0V0の半分になる。 これだと直流のときの，電力＝IVと同じ式ではなくなるということになる。 それは少し面倒。直流でも交流でも同じ式の方がいい。 間違いも少なくなる。 そのために，無理矢理次のように変形してあげる。
平均P＝1/2I0V0
平均P＝（I0/√2）×（V0×√2）
ここで，Ie＝I0/√2，Ve＝V0/√2と 定義してあげると，
平均P＝Ie×Ve
となって，直流と同じ式になる。この，Ieを「電流の実効値」， Veを「電圧の実効値」と定義してあげるのです。 ちなみに，「実効値」をeffective valueというので，「e」を付けて表しています。

日本の電圧は100[V]というのは，実効値のことをいっている。 よって，最大値はいくらですか？
生徒：「100√2」
その通り。最大値は100√2[V]≒141[V]というわけです。

５．まとめ

普段使っている電気ですので，基本的なことは理解して欲しいと思っています。 日本は100[V]で50or60[Hz]の交流を使っています。 しかし，イギリスに語学研修に行った人たち！知っていますか？ イギリスは240[V]です。 ものによっては変圧器を使ってあげないといけない。 次回はこのことについて学習していきます。

授業を終えて。。。
・電磁誘導のところは，レンツの法則を教えようと思って1クラス試したが， そもそも中学範囲を理解していないので，中学範囲の説明にとどめた。
・実効値に関しては，そのあとたくさん質問された。 まずプリントをI0，V0にするか，数値にするか，はっきりさせる。
・100[V]とか50[Hz]は知らない者が多い。 それはそうだよな。ちなみに，世界的に100[V]は小さいし，少ない。 韓国と北朝鮮くらい。130[V]や200くらいが多い。

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