交流電源から片方の電極までの距離が著しく長い(短い

Question

交流電源から片方の電極までの距離が著しく長い(短い）場合でも、通電するのはなぜでしょうか？
　周波数のタイミングがずれてしまうような気がしてなりません。

tance · Accepted Answer

これは大変深い問題を含んでいます。

以前、ロシアから交流で電力を買う話しがありましたが50Hzでも長さが
問題になりました。（ここで言う行き帰りの長さの差ではなく定在波の問題
でしたが）

さらに、新幹線の発電所間の同期などでは今でも位相の精密な制御が
成されています。（新幹線は交流送電）

長さが行き帰りで違う場合は、ちょっと信じにくいかもしれませんが、以下の
現象が起こります。

たとえば、解りやすくするために交流電源が矩形パルスだったとします。
矩形パルスの立ち上がりから一定時間すると負荷にパルスが伝わるのですが
短い方の線を伝搬する時間で半分の電流が流れ、その後、パルス立ち上がりから
長い方の線を伝搬する時点でにフルに流れる、ということになります。

ちょっと解りにくいでしょうか。
たとえば、短い方の線を伝搬する時間を10msec、長い方の線を伝搬する
時間を25msecとしましょう。電流は定常的には1A流れるとします。
すると、パルス発生から10msecで0.5A流れ、おなじくパルス発生から25msec
で1Aに変わります。２段の階段状に電流が変化するのです。

これはどちらの線が長くても短くてもおなじです。

なお、実際にはいわゆる光速（30万km/sec）より少し遅い速度で伝搬します。
高周波の専門家は「短縮率」と言って補正しています。（周りが空気だけでは
なく誘電体が存在することからこの現象が生じます）

なので、タイミングがずれてしまうということはあります。

このことは商用周波数ではほとんど問題になることはないですが、高速
デジタル伝送用のケーブル（USBとかLANとかHDMIとかSATAとか・・・）
のツイストペアの長さが揃っていないことでよく問題になります。
スキューと言って、規格で「いくら以内にしなさい」、と決まっています。

lv4u · Answer

>>交流電源から片方の電極までの距離が著しく長い(短い）場合でも、通電するのはなぜでしょうか？

交流が通電するなら、コンデンサーが回路に含まれてないなら、直流でも著しく長くても通電しますよ。初期の商用電力システムは直流でしたし。

>>周波数のタイミングがずれてしまうような気がしてなりません。

物理の書籍によれば、光の速度で伝わるので、ＯＮ／ＯＦＦに関しては、タイミングのズレは無いそうです。ただし、交流の場合は、コイルとコンデンサ、抵抗などによって、波形の遅延などあって、微分・積分・三角関数の世界になりますね。

W-164 · Answer

> 片方の電極までの距離が著しく長い
著しいとはどの程度?
まさか片方だけ数キロ長いと言う事は無いですよね。

電気はほぼ光速（1秒間に30万キロ地球を7周半)で進むと言われますよね。
高周波ならともかく交流電源という程度の周波数では、数メートルとか数百メートル程度では、通電に影響するほど「タイミングがずれる」レベルでは無いのでは?

el156 · Answer

交流電源の周波数が商用電源の50Hzのように非常に低い場合、電気はほぼ電線の上だけを流れると考えることができます。電気が電線の上だけを流れるのであれば、電流は交流電源の一方から出発して、著しく距離が長い電線の方を通り、負荷を通って著しく短い電線を通り交流電源の他方に戻ると考えて差し支えありません。この間、電線上の全ての場所で電流は同じです。ですから電線の全長を同じにして、この電線上のどこかに負荷を移動したとしても、仮に著しく距離が長い電線の真ん中付近まで負荷を移動したとしても、負荷に流れる電流は違いません。
一方、交流電源の周波数が例えば100MHzのように高い場合、電気は電線だけを流れる訳ではありません。交流電源の２つの端子に接続された夫々の電線の間にある誘電体に静電エネルギーが溜まることを考えなくてはなりません。電気は誘電体に静電エネルギーを溜めながら残りが電線のペアの先の方へ進みます。誘電体に溜めたエネルギーは少し遅れて電線ペアの先へ送られるのでこれを合わせればほぼ全てのエネルギーが電線ペアの先へ送られます。線路のインピーダンスマッチングが取れていなければ、誘電体に溜まる静電エネルギーは、距離が進むに従って周期的に変化し腹と節を作ります。その周期がその周波数の波長の半分に当たるので100MHzであれば1.5mの周期です(参考までに50Hzの場合ですと周期は3千kmとなります)。従いまして、高い周波数の交流を波長に比べて無視できない程度に長い距離伝送する場合、普通は行きと帰りをペアで考え、距離は同じにし、誘電体に溜まる静電エネルギーの量も管理します。即ち行きと帰りの線の間の静電容量も管理します。波長に比べて無視できないだけ行きと帰りの距離が違えば静電容量を管理するのが難しくなりますし、ご心配のようなことも起きると思います。

EleMech · Answer

一部だけを取り出して見てしまうと、そう思えてしまうかもしれません。
しかし、電気は回路になって始めて流れるものです。
目に見える物に例えるなら、ポンプで水を循環させているような物です。
仮に水路が余りにも長くて、途中のロスで流れに影響が出るような場合には、ポンプがそのせいで吸い込み、押し出しが出来なくなるので、影響は全体に及び、一部だけが止まるとかではなく、流れ全体で遅れてしまう事になります。
つまり、流れの全てが連動しているという訳です。
実際には、それが発電機での過負荷であり、回転数が落ちてしまう為、周波数も落ちるという事に繋がります。

misawajp · Answer

信号としてではなくエネルギー源としての使用ですね

＞周波数のタイミングがずれてしまう

位相のことを言いたいのだと思いますが

エネルギー源としての利用の場合には関係ありません、負荷部の周波数には影響しません
ただひとつの問題は　電圧と電流の位相にずれが生じてくることです、このずれが大きくなると、機器によっては動作できなくなります　が　それは50hzで数千km以上です

komaas88 · Answer

仰ることは、図のようなことでしょうか。

おそらく、通電はされますが、位相（周波数のタイミング）がずれると思います。
最初は半分の電流が流れて、やや遅れて全電流になるでしょう。
負荷がたとえばモーターで
「大変長い距離」が数千Kmの場合、電流が０になり回らなくなる可能性もあると思われます。
スイッチが入ったという情報は、導体の中の光子がいちはやく電源に知らせるそうです。
それでもかなりのずれが両端子に発生しますので。

まあ、こういった回路はあまりないと思います。どんなに遠くても、現実には最大でも数キロメートルでしょうし、有意に位相がずれることはないはずです。

tadys · Answer

電気のエネルギーは電線を伝わるのではありません。
電気のエネルギーは電場のエネルギーと磁場のエネルギーとして空間を伝わっていきます。
電線は、電場と磁場のエネルギーをその近くに集中させる役割を果たしています。
電線が無い場合は空間をそのまま進みます。いわゆる電波の状態になります。

物理現象の伝わる速さは相対性理論が示すように光の速さよりは速く伝わりません。
その為、何かの変化は近くに伝わるだけで、遠くの部分は直接的には関係ありません。
十分に時間（光が到着するぐらい）がたてば影響する事はあります。

長い電線に電気を流した時の様子を図に示します。
点線は電線を、Ｌはランプを示します。
太い矢印は電気が電線を伝わった部分を示します。
丸い線は磁場のエネルギーを、直線の矢印は電場のエネルギーを示します。
１はスイッチを入れる前
２はスイッチを入れた直後でランプにまで電磁場が届いていないのでランプは光りません。
３は時間がたった後でランプは光ります。
電線の長さが無限に長い場合はランプの状態はこれ以上変化しません。
（無限に遠方の電線が影響を与えるには無限の時間がかかる）

電線の長さが有限の場合は、図のような単純な取り扱いは出来なくて、分布定数線路としての取り扱いが必要になります。
分布定数回路では線路の特性インピーダンスや、線路のミスマッチによる反射の影響などを考える必要が有ります。

交流電源から片方の電極までの距離が著しく長い(短い