2025年度アマノ科学教室・第１３回物理講座

電気にはプラス・マイナスの向きが変化しない「直流」と、交互に変化する「交流」があるということを前回の講座で学習しました。もう少し詳しく学習しました。発電所から家庭などに送られてくる交流は、時間とともに電圧と電流の向きが変化しています。この変化は非常に速いので電球がついたり消えたり･･･というように人間の眼で直接見ることはできません。これを観察することが出来る装置がオシロスコープです。

交流の電圧は上の図のように徐々に電圧が上がり最大値まで行くと下がり、プラスマイナスが入れ替わって徐々に（マイナス方向に）電圧が上がるとまた徐々に下がり、ということを繰り返しています。瞬間的には電圧がゼロになるときがあります。オシロスコープをとおすとこの波形が見られます。

プラスマイナスの向きが交互に変わる交流を、一方向のみにする回路を整流回路といい、ダイオードという電子部品が使われます。例えば、交流の下半分の波をカットすることで反対方向の流れがなくなります。これは半波整流と呼ばれ、電圧ゼロの状態が増え、電気が脈打つように流れるので脈流とも呼ばれます。

これでは効率的ではないので、ダイオードを４つ組合せ、半波整流でカットしていた電流の向きを変え、効率よく電気を流します。これは全波整流と呼ばれます。それでもジグザグ部分が残るのでコンデンサを使って、コンデンサの蓄電放電により平らにならします。これを平滑回路といいます。

最近の電子機器、電気機器はインバータという回路が使われています。発電所から送られてきた交流を一旦整流して平滑化し、再びこれをスイッチング素子などを用いて交流に変えるもので、エアコンのモータを精密にコントロールし、効率的な運転を行ったり、周波数の影響でちらつく照明もちらつきが抑えられたりします。身近な電化製品にもたくさん使われるようになってきました。

２　電気が家庭に届くまで～送電について考えてみよう！～

(1) 家庭に電気が届くまで

電気は発電所で作られて送電線で家や学校などに送られてきます。発電所から送られてきた電気はプラスマイナスが交互に入れ替わる交流です。日本には交流が２種類あります。富士川を境に東日本は５０Ｈｚ、西日本は６０Ｈｚです。これは最初に導入した発電機がドイツ製の５０Hzであったかアメリカ製の６０Hzであったかの違いだそうです。
私たちの周りには電気で動作するものがたくさんありますが、これらは交流で動くものと直流で動くものがあります。身近なもので直流で動くもの、交流で動くものを見つけるのが課題でしたが、たくさん答えてくれました。電気機器の中にはより正確に安定して動かすために、交流を直流に替えたり、交流を直流に替えてまた交流に替えて動かしているものもあります。

５０Hzの地域から６０Hzの地域に引っ越しをしてそのまま電化製品を使用すると明るくなったり暗くなったり、早く回ったりなど影響が出る場合が見られましたが、今の電気機器の多くは周波数の影響がないように工夫されています。日本の家庭の電源は、交流１００Vですが、世界を見渡すといろいろです。２２０Vや２４０Vの国が多く見られます。

(2) 何で交流で送電するの？

　では、なぜ交流で送電しているのでしょうか？それは、交流の方が変圧器を使うと少ない損失で簡単に電圧を変えられること、そして安全に遮断できることです。

電柱の上に、ときどき円筒状のものを見かけます。あれが変圧器です。発電所から送られてくる電圧は途中で電圧を変えながら長い距離を送られてきています。このため、できるだけロスが少なく、変圧が容易な交流が用いられます。

(3) ３相交流

　発電所からの送電は、３相交流で送られています。３つの交流が3分の１づつタイミングをずらして送られているため、ゼロになる瞬間がなく、モータなどの電動機を使用する場合、安定した電力を供給できます。

また、同じ電力を送るのに単相交流と比べると電線を省略できるため銅線を25％節約できます。発電所で作られた電気はこのように三相交流で高圧送電され、途中で変圧器で段階的に降圧し、家庭に引き入れる直前に１００Vに変圧され、３相の１相分だけを引き込んでいます。

３　交流について学ぼう（実験）

長い方のニクロム線の方が抵抗が大きいため電流が小さくなり発熱量は小さく、短い方のニクロム線の方が抵抗が小さいため電流が大きくなり発熱量が大きく発泡スチロールが早く溶けました。流す電流を少なくすることが損失を押さえるカギになります。

まとめると左のとおりでした。このため発電所からは３相交流で電流を極力小さくしてロスを押さえて送電し、利用する家や学校などの施設の近くで電圧を１００Vや２００Vなどに変圧していることは理屈にかなった選択です。

　回路図を見ながら、ブレッドボード上に電子回路を作ります。必要な部品は部品一覧のとおりでした。スイッチ、抵抗、2色のLED、ブザー、電源（電池ボックス）、そして迷路の銅線とその迷路に沿って動かすリード線です。

　回路図を実際の配線図に変える必要があるので、部品を紙に書き、これを回路図どおりになるように線で結び実態配線図を仕上げました。

筐体に迷路となる銅線を取り付けます。むき出しの銅線部分が接触してショートしないように熱収縮チューブという加熱で縮む管を銅線につけておき、ヒートガンで加熱して仕上げました。