交流回路の電気の方向は？

電気回路のある部分において、電気がどちらに向かって流れているか（どっちが上位か）は、直流の場合は、そこの電位（＋か－か）を見ればわかりますが、交流の場合はどう考えればいいのでしょうか？

交流は、その方向を周波数のサイクルで、正逆反転してるわけですから、回路のある一箇所を見たときに、そこで電気がどちらから流れてきているのか（どちらが上位なのか）は、どうやって判断すればいいのでしょうか？

No.18 回答者： fxq11011 回答日時： 2014/09/04 17:45

電圧は単なる情報です、情報の伝達は瞬時（光速？）で伝わります。

電流は電子の流れ・動きです、質量があるため瞬時には動けません。
電圧情報に従い動き・流れ始めます、そそため遅れが生じます。
その様子を発電機の回転角度に合わせて表示すると、サインカーブになり、たとえば最大値は、電流のほうが電圧に対して遅れた角度の位置に表示されます、これが位相差です。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

お礼日時：2014/09/07 10:03

No.17 回答者： fxq11011 回答日時： 2014/09/04 17:34

６０Hzでは１秒間に６０回向きが変わっています。

それに対応可能な危機があっても人はおそらく観察不可能でしょう。
オシロスコープも直に接続しただけではちらついて観察できません、映像の動きを６０Hzに同期させて静止画として観察するだけです。
それより、気になるのは、なぜそれが必要なのか？。
＞そこで電気がどちらから流れてきているのか（どちらが上位なのか）は、どうやって判断
それが必要な回路では最初から交流は使用しません。
界磁、回転子が巻き線式の直流モーター、を交流で使用しても、界磁、回転子の電流の向きが同時に逆になり、SN極も同時に逆になるため、相対的な力、回転方向は変わりません（電流の向きを考える必要がありません）。
交流で重要なのは、電圧と電流の位相のずれです。
オシログラフで同期をとって表示させると、電圧、電流のサインカーブが映ります、ただ二つの線は重ならず、３０°ずれています。
つまり、電圧は０Vになっても、電流は０Aになる手前です。次の瞬間電圧はマイナス（逆向き）になっても電流は同じ方向に流れ続けます（電圧×電流＝電力）から電圧が－、電流は＋のため、電力Wはマイナスになります、これを無効電力といいます。
また、コイル等誘導負荷といわれる負荷に交流を流すと、さらに位相がずれます、位相がずれると有効電力が小さくなりますが、流れる電流は向きが変わっても量は同じため、有効電力の送電量は減っても電線の太さは同じ太さが必要になります

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

電力の向きを知りたいのは、電力会社の複雑に張り巡らされた配電線網などで、電気がどっちからどっちへ流れているのかをどうやって判断しているのか知りたかったためです。

お礼日時：2014/09/07 10:02

No.16 回答者： ricardo_ 回答日時： 2014/09/04 08:58

Ｎｏ１４です。

＞電圧と電流の位相差ってことでしょうか・・？
＞ 位相差がどうなってると、電力の向きがわかるのでしょうか？

　前回の説明は瞬時の電力を見る話です。
　「位相差」と言うのは１周期ぐらい見ないと分からない値です。

　抵抗負荷の場合、電圧が反転すれば電流も反転するので、常に電力は負荷に行く。
　純粋なＬやＣだと位相が９０度ずれて、負荷に向かう電力と戻ってくる電力の平均がゼロになる。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

>抵抗負荷の場合、電圧が反転すれば電流も反転するので、常に電
>力は負荷に行く。

これは理解できます。


>純粋なＬやＣだと位相が９０度ずれて、負荷に向かう電力と
>戻ってくる電力の平均がゼロになる。

有効電力は０で、すべて無効電力ということですよね。
この「無効電力」というのがいまいちよくわかりません・・。

つまり純粋なLやC（実際はそんなものはないのでしょうが）では、電気はまったく仕事をせず、電圧電流を供給しても、それらは全部電源に返ってくるということですね？

電力の向きは、電圧と電流、そしてその位相差から判断できそうな気がしているのですが、「具体的にそれらがどうなっているときに電力の向きがどうなのか」がわかりません。

お礼日時：2014/09/07 09:56

No.15 回答者： Dio_Genes 回答日時： 2014/09/04 08:10

　#12です。

>でもけっきょく「電力の方向」は、なんの要素を使ってどのように判断してるのかがわかりません・・・

　家庭用の交流電源は、電圧は-100～0～+100Vで揺れており、そのため電流も向きを変えつつ流れています。それに固定した方向を考えるのは無理です。

　しかし電力の方向であれば、ちゃんとありますよ。前にコンデンサで説明しましたが、抵抗器に置き換えてみます。

　┌──┐
　│　　　│
（～）　[抵抗器]
　│　　　│
　└──┘

　抵抗器は単に電気が流れにくくするだけです。直流でも交流でも同じように働きます。抵抗器のかかる電圧に応じた電流が直ちに流れます。電圧がどんなに変動しても即応します。

　流れにくくなった分、電圧降下、あるいは逆起電力と呼ばれる現象が起きます。具体的には電圧Eと抵抗R、電流Iは、E＝RIと表されます。この電圧Eは電源のもので計算しますが、式が意味しているのは、抵抗の両端に生じる電圧です。それが電源の電圧と釣り合う、ということです。

　電力Pは電圧×電流、つまりP＝EIです。E＝RIを使うと、P＝EI＝RI^2＝E^2/Rとなります。電流基準で考えるにせよ、電圧基準で考えるにせよ、抵抗値に応じた電力が消費されます。

　その消費された電力は熱エネルギーとなります。そのことを積極的に使ったのが、電熱器ですね。コンロや暖房機などに使われています。電力としては、電源から抵抗器へ流れており、抵抗器は電力を高温の熱として消費しています（それがさらに、周囲の空気を暖める、つまり熱を空気へと流す）。

　抵抗器の代りにモーターを繋げれば、回転という形の力学的エネルギーを取り出せます。やはり、電源からモーターへと電力は流れています（効率100％ではないので、一部は熱や音などのエネルギーに変わる）。

　交流は電圧や電流が変動し、平均値が0であるのに、どうして電力が0でないかということですが、正負を無視した絶対値であるからです。正確には消費電力といったほうがいいでしょう。抵抗器は電流がどちら向きに流れようと発熱は同じですし、交流用機器は交流を直流として利用するよう設計されていたりします。

　今回のご質問に限ってですが、直流と交流の相違を真っ直ぐなパイプを流れる水と、ぐるっと円形に閉じたパイプに流れる水に喩えてもいいかもしれません。パイプの中に目印となるボールを入れておくとして、真っ直ぐなパイプではボールは同じ方向に流れて行きます。円形に閉じたパイプだとボールの移動方向は常に変わります（真横から見れば真っ直ぐ行き来する）。

　しかし、水の運動エネルギーはパイプが真っ直ぐだろうと円形だろうと、流れる速ささえ同じなら、単位体積当たりの運動エネルギーは同じです。その運動エネルギーを使うとして、パイプが真っ直ぐなのか円形なのかは関係ありません。消費電力もそれと同じで、いつも同じ方向の電流（直流）なのか）、向きが変わる電流（交流）なのかは無関係になります（※そうなるように機器が設計されている、とも言える）。

P.S.

　消費電力を絶対値で考えるとして、仮にそれがマイナスになるものがあるとしたら、それは電源です。機器にプラスの値の電力を供給するということを、機器側を0という基準にして考えたら、電源にマイナスの電力を供給していると見ることもできます（ほとんど屁理屈、あるは算数的な遊びでしかないですが……）。

この回答へのお礼

わかりやすいご説明ありがとうございました。

エネルギーという観点からは理解できました。

お礼日時：2014/09/07 09:50

No.14 回答者： ricardo_ 回答日時： 2014/09/03 23:03

　オシロスコープで電圧と電流の波形を同時に取ります。

　そうすれば、電力の流れが分かります。
　抵抗負荷の場合、常に負荷側に電力が行きます。
　ＬやＣが含まれた負荷だと、負荷側から電源側に電力が逆流する期間が有ります。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

電圧と電流の位相差ってことでしょうか・・？
位相差がどうなってると、電力の向きがわかるのでしょうか？

お礼日時：2014/09/04 06:06

No.13 回答者： sou_tarou 回答日時： 2014/09/03 22:23

＞電力方向継電器

回路図を見るとＰの電圧コイルとＣの電流コイルで動くようです。
動作特性を見ると　電力が設定値以上になると動作するので

電力計（瞬時）に動作接点がついたような継電器になっていると思います。
したがって、電力計を参考にするとよいと思います。

私には動作原理の説明は詳細は難しいです。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

お礼日時：2014/09/04 06:05

No.12 回答者： Dio_Genes 回答日時： 2014/09/03 08:16

　#10です。

　お示しの電力方向継電器ですが、回路図に「▼の下に線」の記号があります。これはダイオード、あるいは整流器と言って、一方向にしか電流を流しません（電圧も同じく、一方向だけにかかる）。直流用電流計・電圧計では交流をそのまま測ることができませんので（0と出る）、ダイオードで交流の片側だけにして直流とし（変動はする）、直流用電流計・電圧計で測定することがよく行われます。

　直流に直して測定するといっても、実際に測っているのは交流の電圧、電流の『絶対値』の平均値です。プラスマイナスに変動する交流をそのままで平均値を取ると0になってしまいます（これが直流用をそのまま交流に使った場合に相当する）。

この回答へのお礼

交流を整流して取り込むんですね。

でもけっきょく「電力の方向」は、なんの要素を使ってどのように判断してるのかがわかりません・・・

お礼日時：2014/09/04 06:05

No.11 回答者： sou_tarou 回答日時： 2014/09/02 21:28

私も理解できていませんが

電力量計の計測に関するものをみるとイメージがつかめるかもです。

参考URL：http://tech.jemima.or.jp/70102.html?q=tech/70102 …

この回答へのお礼

ありがとうございます。
参考になります。

ちょっとみつけたのですが、「電力方向継電器」という継電器があるみたいです。
　　↓
http://www.hitachi.co.jp/products/power/protecti …

私が知りたかったのはまさにこれかなと思っています。
どういう原理なのでしょうか・・・。

お礼日時：2014/09/03 06:13

No.10 回答者： Dio_Genes 回答日時： 2014/09/02 16:51

　#7です。

>ただ、私が知りたいのは、回路内において、電気（電力）の方向をどうやって知るかということです。

　なるほど、では回路にコンデンサだけがある状況を考えてみましょう。

　┌──┐
　│　　│
（～）　＝
　│　　│
　└──┘

　＝がコンデンサ、（～）が交流電源のつもりです。

　電源が直流だと電流は定常的には流れません。しかし、コンデンサに電荷が溜まるまでの一瞬は電流が変化しながら流れます。コンデンサの一方には正の電荷が溜まっていき、同時に他方には負の電荷が溜まっていきます。それによってコンデンサには電圧が生じ、それが直流電源と拮抗すると（直流電源と電圧の大きさが同じ、向きが逆）、電流は止まります。

　直流電源ならそこで終わりです（定常状態、電流0）。しかし、交流電源だと事情が違ってきます。電源の正負が逆転しますから、コンデンサに溜まった電荷は電源へと流れて行きます。さらにまたコンデンサに電荷を溜めます。それが交流1周期で起こる現象で、ずっと繰り返されます。この状態が「交流電流が定常的に流れている」ということになります。

>直流でも交流でも、電気（電力）は、やはり電源→負荷という方向になると思うのですが、その調べ方です。

　上記の通りです。つまり、短い時間でよくみれば交流の1周期の間に電流の方向は反転しますし、もっと長い時間で考えるなら平均値で考えますが、方向を考えることはできなくなります。

　方向を定められなくても、電力は消費します。上記のコンデンサのを抵抗に置き換えれば、例えば交流100V電源（100Vは平均、0～±141Vで変動する）では、直流100V電源と同じだけの消費電力となります。

P.S.

　ちょっとややこしいのですが、コンデンサだけだとW（ワット）で表す消費電力0になります。交流での消費電力は「電圧×電流×力率」で計算します。力率は電圧の周期的変動と電流の周期的変動のずれの率で、半周期ずれると（電圧の山：最大で電流の谷：ゼロになる）力率は0になります。コンデンサだけだと力率は0です。なお抵抗では力率1です。力率は電圧×電流に対する電力の比率で、交流で動作する機器の電気使用効率でもあります。

　電気機器は実際に使用した交流電力で計算したいのでW表示で力率を考慮しますが、安全装置のブレーカーではVA（ボルト・アンペア）と表示されていて、力率を考慮せず「電圧×電流」で動作し、上限を超えるとブレーカーが落ちます。ブレーカーが力率を無視するのは、ある意味、電流だけを検出したいからです。電流が過剰になるのを監視したい、ということです。

この回答へのお礼

詳しいご説明ありがとうございます。
とても勉強になりました。

ちょっとみつけたのですが、「電力方向継電器」という継電器があるみたいです。
　　↓
http://www.hitachi.co.jp/products/power/protecti …

私が知りたかったのはまさにこれかなと思っています。
どういう原理なのでしょうか・・・。

お礼日時：2014/09/03 06:12

No.9 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2014/09/02 11:43

No.6です。

＞ただ、私が知りたいのは「電力の流れの方向」です。。。
　電力には向きはありません。流れもありません。

　交流の場合、電圧と電流の位相が一致するとは限りませんから、電圧の方向なのか電流の方向なのかがわからないと。

　電場の信号が届くとそれまで逆に移動していた電荷(電子)は力を受けますから、減速して今度は逆向きに移動をし始めます。電場が徐々に低くなっても電子は加速され続けます。そして電場がゼロを通過するまでは加速します。逆向きになってからはじめて減速され始めて・・・

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

>電力には向きはありません。流れもありません。

「電力方向継電器」という継電器があるみたいです。
　　↓
http://www.hitachi.co.jp/products/power/protecti …

私が知りたかったのはまさにこれかなと思っています。
どういう原理なのでしょうか・・・。

お礼日時：2014/09/03 06:11