物理基礎の電磁気学�K（変圧器）

１．導入

前回，交流とは何か，実効値とは何かということを学習しました。 日本が100[V]というとき，実効値ですか？最大値ですか？ そう実効値が100[V]で，最大値は100√2[V]ですね。

２．変圧器

しかし，他の国は違う電圧を採用している場合が多い。 例えばイギリスでは220[V]〜240[V]です。 携帯電話の充電器とかデジカメの充電器とかは， 「100〜240V　50/60Hz」と書いてある。 これは電圧の実効値が100V〜240V，周波数が50〜60Hzの間なら大丈夫ですよ， という意味です。

そうやって書いてないものに関しては，変圧器を用いる必要があります。 変圧器の基本的な構造はすごく単純。 鉄にコイルを巻いてあるだけ。

入力側が一次コイルで，出力側が二次コイルです。 一次コイルに電流が流れると，右ネジの法則に従って磁場がつくられます。 鉄は磁場を外に逃がさない性質があるので， その磁場がそのまま二次コイルに入っていきます。 交流は電流の大きさも変化するので，磁場の強さも変化する。 すると，二次コイルは磁場の変化を嫌がるので，電磁誘導で電流が流れるというわけです。

このとき，一次コイルにできる磁場は巻数が多いほど強い。 二次コイルで発生する電流も巻数が多いほど強いので， 結局，一次コイルと二次コイルの電圧の比は，巻数の比になります。 （ここら辺の話は厳密には高校3年でやるので，だいたいで理解してください）

このような簡単な装置で変圧ができるのです。

３．問題演習（変圧器）

では問題を解いてみてください。

（机間巡視しながら，「(1)は10[A]でも，5√2[A]でもないですよー。 (2)は５：１２ではないですよー。」）

(1)で次のような解答がありました。
実効値が100[V]だから，最大値は100√2[V]。電力＝電流×電圧だから，
1000[W]＝I×100√2[V]
よって，
I＝5√2[A]
この解答は何が間違っているのですか？
交流の場合，最大値で考えると，P＝1/2I₀V₀になってしまうのです。 だから実効値というものを考えたのです。 そうすれば直流と同じ，電力＝電流×電圧という式が使える。

(2)は，イギリスで使用するので，入力，つまり一次コイルに240[V]です。 だから５：１２ではない。

ちなみに，変圧器を買うときには何Vから何Vにしたいのかは当然注意してください。 それだけではなく，何Wまで使えるかというのは大切です。 パソコンなら60Wくらいで済む。それほど大きくないし，高くもないです。 1000Wになると大きく重くなります。だって鉄とコイルだからね。 海外勤務に人もいると思うので注意してください。 また３DSは注意してください。100〜120Vでしか充電できないので， 専用アダプタか変圧器が必要になるよ。PSPは大丈夫なようです！

４．送電

では，問題１３をやってみてください。 まあ炊飯器１つ分しか発電しない発電所なんてないですけどね（笑）。

これはちょっと難しいですね。 まずV=IRを使おうとすると間違えています。
1000[V]＝I×5[Ω]
という式は間違っています。 なぜでしょうか？ これだと送電線に1000[V]かかっていることになりますよね。 つまり，家庭には電圧がかからなくなってしまう。 供給電力＝電流×電圧を使ってあげるとよい。

この問題の意味ですが，100[V]で送るというのは馬鹿らしいということがわかりますか？ 100[V]で送ると，1000[W]発電したのに送電線で半分の500[W]が消費されて， 家庭には500[W]しか行かない。しかし1000[W]で送電すると， 995[W]が家庭に届くのです。
ちなみに，いままでは導線の抵抗は無視してきたけど， 例えば福島で発電してそれを東京まで送電するわけです。 かなりの距離ですよね。その間の導線の抵抗は無視できなくなるわけです。
というわけだから，なるべく高い電圧で送電してあげるとよい。 高い送電線では33000[V]で送り，途中の変電所で6600[V]にして， 電柱にある変圧器で100[V]に変換して家庭に送っているわけです。 こういう電柱にある変圧器を見たことあるでしょ。 これがその役割をしている。

1880年代にエジソンは直流送電を提案したのに対して， ウエスティングハウスとテスラが交流送電を主張して争い， 「電流戦争」といわれるまでになったのです。 はじめはエジソンの直流システムだったのですが， 交流は変圧しやすいからロスが少なくて済むので， 世界的に広まったのです。 ちなみに最近は半導体技術が進んで， 直流でも簡単に変圧できるため直流システムを導入する場所もあるようです。

５．まとめ

というわけで今日は変圧器を学習しました。 身近なことなので少しは理解して使えるようにしてください。

授業を終えて。。。
・送電は難しい。手がつかない生徒が多かった。
・変圧器の原理を説明するには，交流の発生のところで レンツの法則まで説明する必要がある。 磁場の中で動かすと電流が発生するでは，変圧器の場合動かしてはいないので説明できない。
・そもそも実物を見せなければいけない。
・身近なことを理解して欲しいと思って交流を入れたが， このままでは半端な知識になってしまう。 もっと精選して理解させないといけないし， これまでの学習の応用として扱うプランを考えないとつながりがない。

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