中学理科の質問です。変圧前後で電流の大きさと送電線の電気抵抗を少なくするために電流を小さくするか？

Question

中学理科の質問です。

電気の単元の交流について質問です。

本に以下のような記述があります。

①
ーーー
発電所から家庭まで長い送電線を経て電流を流す時、送電線の電気抵抗によってロスが生じます。ロスを小さくするために、電流をできるだけ小さくします。そのかわり「電力=電流　x　電圧」なので、同じ電力を供給するために電圧を高くします
ーーー
質問です。電圧には抵抗はかからないということでしょうか？水流の比喩で電気を理解しているので、電圧と電流を完全に分けて、電圧(水の落ちる落差)には抵抗はかからないというのは私的には直感に反します。

②
変圧前と変圧後で電流の大きさは変わりますか？

変圧器の仕組みは、まず、一次コイルによる電流が磁界を作り、この磁界が二次コイルに電流を流す。つまり、磁界の変化が二次コイルに起電力（二次電流）を発生させているという電磁誘導を使っていると思います。電圧(起電力)が変わるのはわかりますが、電流は、1次コイルと2次コイルで、同じでしょうか？

電磁誘導により、全く同じだけ量の電流が伝達されるというのだとしたら、それはそれで不思議な感じもします。

fxq11011 · Accepted Answer

＞電圧には抵抗はかからないということでしょうか
むしろ、抵抗は電圧を生じる、とも言えます。
乾電池プラスとマイナスショートするとプラス端子の電圧は０Vです。
ショートでなく間に抵抗をつなぐと、抵抗の両端で電圧が測定できます。
※水の落ちる落差、と水が落ちて流れる水流を混同しています。
先に言いました、落差＝垂直方向の長さ、動きは無関係のため、動きに対する抵抗も無関係です。
W＝消費電力、I＝電流、E＝電圧、R＝抵抗
W＝IE、E＝IR・・・・W＝I²R
消費電力Wは電流Iの二乗に比例します、電流が２倍になれば消費電力（抵抗による損失）は４倍になります。
導線の抵抗が同じならば、電圧を２倍にして、電流を1/2にすれば、送る電力は同じですが、導線の抵抗による損失は1/4になります。
②　W＝IE、W電力が同じならIが２倍になればEは1/2、Eが２倍になればIは1/2になります
つまり、電圧×電流＝一定（トランス内で新たな電力の供給はありません）

lupan344 · Answer

他の回答者の回答で、だいたい理解されたと思いますが、水流の比喩で考えるなら、以下のとおりでは無いですか？
電圧を落差と考えるならば、流路の間に抵抗を挿入しても、落差は変わらないです。
ただし、抵抗の後の水圧は抵抗で消費された分、低下します。
これは、直流回路の抵抗の前後の電位差とアナロジーでは同じです。
また、水路に抵抗を挿入した場合は、流量も減ります。
こちらも、アナロジーとしては、直流回路で抵抗がある場合に流れる電流が抵抗が無い場合より小さくなる事とアナロジーでは同じです。
なお、送電線の場合は、当然ながら、電線の抵抗により、発電所から供給先までの間で電圧降下がおきます。
この電圧降下を少なくする為に、電圧をなるべく高くして、送電線に流れる電流を少なくします。
変圧器に関しては、一次側の電流値と二次側の電流値は、変圧比に応じて変わります。
実際は、変圧器の変換効率もあるので、二次側で取り出せる電流値は、完全に変圧比とは一致せず、変圧比で求められる電流値より少なくなります。
供給先で使用する電圧より高い電圧で送電した場合は、供給先で必要とされる電流値より少ない電流ですみます。
変圧器で、電圧を下げると、二次側では変圧比に応じて、一次側の電流より多くの電流を流す事ができます。

isoworld · Answer

抵抗中を流れるのは電流ですから、抵抗で生じる電力損失は電流によるものです。電圧は関係しません。では、電圧はロスを生まないかというと、そうでもなく、理屈の上からは電界（電圧が引き起こすものです）によって生じる誘電損失というのがありえます。ですが、誘電損失は抵抗による電力損失に比べるとはるかに僅かなので、問題になりません。変圧器においてもロスは発生します。それは鉄損と呼ばれるもので、これは電流によります。

発電所から家庭まで長い送電線を経て電流を流す場合に、なるべく送電ロス（抵抗による電力損失）を減らすために電流を少なくし、その分だけ電圧を高くしておきます。長距離の送電線では、５０万ボルトというとても高い電圧で送ることがよくあります。家庭に近づくほど変圧器で電圧を下げ、配電線ではたとえば６，６００ボルトにし、家庭に引き込むときは柱上変圧器で１１０ボルト（１００ボルト）とか２２０ボルト（２００ボルト）にまで下げます。

変圧器では、一次側のコイルと二次側のコイルの巻き線比によって電圧と電流が変わります。この巻き線の比率がたとえば１０（一次）：１（二次）なら、二次側に出てくる電圧は１／１０になり、電流は１０倍になります。つまり、たとえば二次側のコイルに流れる電流が１００アンペアなら、一次側のコイルに流れる電流は１０アンペアになります。

tknakamuri · Answer

まず、水流モデルを電流電圧に分けて考える考え方が同じだと指摘しておきましょう。

水流モデルで考える場合、消費電力は電流の2乗に比例し、抵抗に比例します。こんな感じ

P = I^2・R

オームの法則から、抵抗両端にかかる電圧は E = IR なので

P = EI

つまり水流モデルと 電圧と電流を分けることは全く同等です。

送電で、電圧を上げ、電流を下げると長距離送電に有利というのは基本的に
水流モデルの発想です。

送電抵抗を r とすれば、送電で無駄になる電力は r・I^2 のわけですから
無駄は電流だけで決まります。I は小さいほうがよいに決まってます。

Iが少なくなると、直感的に送電電力が小さくなりそうに思えますが、そうはなりません。

例えば送電抵抗が 10Ωとしましょう。100Wの電力を送るには、電源電圧が 100V なら
負荷抵抗は 78.73 Ω　ということになります。電流は1.127 A ロス電力は 12.7 W です。

電源電圧を 1000 V にすると、負荷抵抗を 9979 Ω にすれば、電流は 0.1000 A ロス電力は 0.1W 
とロス電力が激減します。電流が少なくても同じ電力が送れるのは、負荷抵抗値を
うんと大きくして、電流が少なくとも消費電力が大きくなるようにしているからです。

もちろん抵抗値の大きな負荷に必要な電流を流すには「大きな電源電圧」が必要です。
これが高電圧が必要な理由です。

結局、効率よく送電するには、「高い負荷抵抗」と「高い電圧」が必要です。

「高い電圧」は変電所の仕事ですが、「高い負荷抵抗」はトランスの仕事です。

つまり、「低い負荷抵抗」を「高い負荷抵抗」に見せかける（変換する）のが
トランスの仕事です。

fxq11011 · Answer

電圧、乾電池回路に何も接続していなくても電圧、測れます。
水の落差？、落差って？、うえの水面と下の水面の差＝長さ、ですね、水が流れる必要ありません。
また、落差＝長さ、だから圧力とは無関係の言葉です。
どちらかといえば、同じ高さのタンクに水をため、そのとき底が受ける水圧が電圧に相当します。
また電気を考えるとき、電圧と電流を完全に分けて、これは全くダメです。
電圧＝抵抗×電流、が必須です、どれか一つが変化すれば、残る２つも必ず影響を受ける、それなりに変化する。
＞全く同じだけ量の電流が伝達されるというのだとしたら
現実のトランスには効率があります８０％？～９０？％
理論上の、損失、伝達ロスはないものとして考えた場合です。

kuroki55 · Answer

①
水の有る高さ（落差）が電圧と考えるのは正しいです。
ただ、高い所に水が有るだけ（流れていない）では何も起こりません。高い所から流れ落ちることで仕事（電力）が発生します。
電力=電流×電圧ですので、10mから1リットルを落とすのと1mから10リットルを落とす時の仕事は同じですが、落とす水に抵抗が働きます。後者には前者の10倍のロスが発生します。

電圧：V、電流：I、抵抗：Rの間の関係は
V=IR、I=V/R、R=V/Iですので、
電力（ロス）：Wは
W=VI＝V^2/R=RI^2となります。ここでV^2/Rを見るとRが大きいほどロスが小さくなるように見えますが、Rが大きくなった分Iが減るのです。
ロスを考える時はRI^2を使います。電圧を上げて電流を少なくすればロスは小さくなります。

②
変圧器で電圧をn倍にすれば電流は1/nになります。

yhr2 · Answer

No.1です。①の方で誤解があるといけないので、ちょっと補足。

①の比喩での「水車の回転」は、電気でいえば「抵抗」ではなく「電気抵抗によるロス」（つまり発熱のようなもの）ということです。
「電気抵抗」や「水車」は、「電圧」「水圧（高低差）」があってもなくても存在しますが、それによる「エネルギーのロス」（電気抵抗による発熱や、水車の回転による運動エネルギー）は「電流」「水流」によって起こり、「電流」「水流」が大きいほど大きくなる、という比喩です。

yhr2 · Answer

＞①質問です。電圧には抵抗はかからないということでしょうか？水流の比喩で電気を理解しているので、電圧と電流を完全に分けて、電圧(水の落ちる落差)には抵抗はかからないというのは私的には直感に反します。

「水路」の比喩で。
水路の途中に「水車」を置きましょう。「水車」が抵抗です。水車に「発電機」を付ければ水のエネルギーで発電できますね。
水路に落差があっても、水門が閉まって水が流れていなければ、水車は回りません。つまり「抵抗」は発生していません。
よいですか？

水門を開けて水を流します。水車は回ります。ちょろちょろなら少しだけ、水量を増やせば勢い良く回ります。水から見れば、「勢い良く回る＝抵抗が大きい」ということです。

＞②変圧前と変圧後で電流の大きさは変わりますか？

変わります。
電気のエネルギーの大きさは、「電流 × 電圧 = 電力」で決まります。
変圧器を通しても、「ロス」がなければ、入力した電力と、出てくる電力は「エネルギー保存」で等しくなっています。
つまり、「電力」が同じであれば、「電圧が高く」なった分、「電流は小さく」なります。「反比例」の関係ですから、電圧が2倍、5倍、10倍になれば、電流は 1/2, 1/5, 1/10 になります。

どうしてそうなるのか、これは「たとえ話」で「定量的」な説明をするのは難しいので、「エネルギー保存の法則」ということで理解してください。
そうでなければ、「変圧器を通すと電力が増える」という便利な「電力を生み出す機械」が作れることになってしまうので。そんなものはない、というのが現実の現象ですから。

中学理科の質問です。変圧前後で電流の大きさと送電線の電気抵抗を少なくするために電流を小さくするか？

＞電圧には抵抗はかからないということでしょうか

他の回答者の回答で、だいたい理解されたと思いますが、水流の比喩で考えるなら、以下のとおりでは無いですか？

抵抗中を流れるのは電流ですから、抵抗で生じる電力損失は電流によるものです。

まず、水流モデルを電流電圧に分けて考える考え方が同じだと指摘しておきましょう。

電圧、乾電池回路に何も接続していなくても電圧、測れます。

①

No.1です。

＞①質問です。

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