変圧器について

　こんにちは。
　大学受験生で、センター試験で物理を受験する者です。

　物理の過去問で、次のようなものがありました。

　『家庭で使う電源は、交流電源である。
　交流は変圧器を使うと振幅を自在に変えることができる。
　発電所から大きい電圧で送電され、消費地近くで小さい電圧に下げられる...その理由として、適当なものを選べ』

　答えは『高電圧のほうが、送電線の熱の発生が少ないから』

　なのですが、私が記憶している答えの理由が以下の通りです。

　発電所で生みされた電気は、変圧器（２次コイルの巻き数が、１次コイルのそれに比べてはるかに大きいもの）によって、高電圧で送電線を通過する。
　この時、発電所で生みだされるエネルギーP（＝IV）は変化しないので、Vが大きくなれば、それと反比例して送電線を流れる電流Iは小さくなる。
　つまり、高電圧であれば送電線で発生するジュール熱は少なくなる。

　...と。

　ここまで特に疑問はなかったのですが、次の一節で？になりました。

　『その後、家庭に届く直前には、別の変圧器によって電圧を下げられる』

　...下げる必要がないんじゃないかな？　と思いました。
　なぜなら、上の答えの理由では、高電圧であれば、送電線を流れる電流は小さくなるのですから、別に危険はないのではないかと考えたのです（感電しても、人体に流れる電流がわずかなら安全...のはず）。

　そう考えると、たとえ１００万Vの電線に触れても、電線に流れている電流はわずかだから...安全？ という明らかに直観に矛盾した結論が導かれてしまいました。

　なんだか、電圧と電流の関係の理解が根本から間違っている気がします。

　ご教授を、お願いします。

No.6 回答者： IrGacria 回答日時： 2009/12/18 11:49

他の方々がかかれているので、すこし補足を致します。

>　なんだか、電圧と電流の関係の理解が根本から間違っている気がします。

対象としているのは、空気と電線のまわりの絶縁体、そして人体の性質ですよね？工学系の大学生でもまちがえている、典型的かつ根本的な誤解です。

　　オームの法則が万能の法則だと思わないでください。

オームの法則は、室温付近の金属にのみ適応できる法則です。半導体や、赤熱している金属には成り立ちませんし、問題の絶縁体にもオームの法則は成り立ちません。絶縁体に高電圧をかけると「絶縁破壊」あるいは「スパーク」が起こります。絶縁破壊では流れる電流と電圧は比例関係にありません。エネルギーは電流x電圧x時間ですけどね。

絶縁破壊によって絶縁体を流れる電流は距離だけでなく、誘電率、幾何学的要素（とんがってたり丸かったり）、絶縁体の物性そのもの（分子／結晶構造とか電子配置とか）、それに確率的要素などできまり、単純な予測はできません。時間変化すらします。最大の特徴は、ある電圧閾値を越えると、突如大電流が流れるということです。この様な現象は、規格どおりの電気工事を行っている限り、１００Ｖや２２０Ｖの家庭用電源ではほとんど起きません。。。家庭の中で１００万ボルト配線がされていたら、そこら中でスパーク？

PS
ついでですが、出題の意図は「大電圧送電のほうがロスが少ない」ことを理解しているかを問うものですよね。これも、教科書的なオームの法則だけでは理解できないことだとおもうのですが。

No.5 回答者： yamame17gou 回答日時： 2009/12/18 10:53

感覚が新聞等マスコミ関係の「高圧電流が流れている…」の誤った認識と同じです。

エネルギーが充満されていて（到来していて）負荷側が自分に応じた（抵抗値等）電流を取り出します。


高電圧のままでは絶縁距離、絶縁材等の問題で、現在の様な進化は出来ませんでした。

高圧線鉄塔および低くなっているエリアに「接近注意」等、接触しなくとも危険であると注意文、絵で警告されています。
実際にカーボン製の釣竿等は振動現象を起こします。

No.4 回答者： ch3oh 回答日時： 2009/12/18 09:26

＞なんだか、電圧と電流の関係の理解が根本から間違っている気がします。

　理解が間違っているというよりは、物理量に対する感性の問題ではないでしょうか。
　
＞高電圧であれば、送電線を流れる電流は小さくなるのですから、別に危険はないのではないかと考えたのです

　その小さくなった電流の大きさはどのくらいのオーダーだと思いますか？
　数アンペアぐらいだと思いますか？
　いくら高電圧であるとは言っても、発電所が送り出す電力の電流なのですよ。　

この回答への補足

...とすると、理論的には電圧をどんどん高めれば、電流値のオーダーも下がって、人体に無害なレベルになるということでしょうか？

補足日時：2009/12/19 19:03

No.3 回答者： agthree 回答日時： 2009/12/18 00:33

発電所から見た負荷は、家庭だけでなく工場や電気鉄道、町中の電灯などたくさんぶらさがっていますので、多少負荷が増減しても全体ではほとんど変わりません。

なので、そこで消費するエネルギーも一定とみなすことができ、発電所で生み出すエネルギーも一定とみなせるのです。それが例えば昼と夜のように少し時間をおいて考えると一定とはみなせない負荷の変動がありますので、それに応じて発電所でも発電量を調整しています。
家庭に届く電圧用の変圧器は送電線に対し並列に入っています。送電線自体は上に書いたようにある瞬間では電圧も電流もほとんど変化しません。ですので、変圧器の１次側にかかる電圧はほぼ一定とみなせ、２次側にかかる電圧もほぼ一定となります。ここで、２次側の負荷が変動すると２次側の電流が変化し、１次側の電流も変化しますが、送電線全体からみれば大した変動ではないので送電線自体の電流にはほとんど影響がありません。
つまり、送電線ではエネルギー一定として考えることができても、変圧器ではエネルギー一定ではなく電圧一定と考えることになります。なので、電圧が高ければ高いほど人体に流れる電流は大きくなり危険ということになるのだと思います。

No.2 回答者： KEN_2 回答日時： 2009/12/17 22:25

家庭の電気器具はAC100Vを想定して、設計されているのです。

AC100Vの電気器具にAC200Vを印加すると、短絡と同じ状態になって爆発音がしてヒューズが切れます。

>　『その後、家庭に届く直前には、別の変圧器によって電圧を下げられる』
＞　...下げる必要がないんじゃないかな？　と思いました。
送電線を流れる電流は小さくなるのですが、静電気の電流とは桁違いの大電流が流れているのです。
100万Vの電線に触れると、人間は数10mは弾き飛ばされて黒焦げになり命はありません。
送電線で送る電力が10MWとすると、100万Vの送電線の電流は10MW分の電力があり超危険な電圧で I＝E／Rで　人体の抵抗が10KΩと仮定すると100Aの電流が流れて一命はありません。
オームの法則で普通に考えてください。
　

No.1 回答者： yokkun831 回答日時： 2009/12/17 22:17

>たとえ１００万Vの電線に触れても、電線に流れている電流はわずかだから...安全？ という明らかに直観に矛盾した結論・・・

もちろん「安全ではない」という直感が正しいのですよね？
結局のところは，程度の問題ということになると思います。
電気抵抗１００kΩに１００V加えると電流は１mA，１００万V加えると電流は１０A流れます。

１００万Vの必要な電化製品は皆無で，ほとんどの電化製品は１００Vすら不要なのです。消費電力が一緒なら電圧はどうでもよいということにはなりませんよね？