交流(こうりゅう)と変圧器(へんあつき)・送電(そうでん)

中学(ちゅうがく)の「直流(ちょくりゅう)と交流(こうりゅう)」で学(まな)んだように、家庭(かてい)に送(おく)られる電気(でんき)は交流(こうりゅう)で、電圧(でんあつ)や電流(でんりゅう)の向(む)きと大(おお)きさが周期(しゅうき)（新しいタブで開きます）的(てき)に変化(へんか)する。交流(こうりゅう)の電圧(でんあつ)計(けい)・電流(でんりゅう)計(けい)が示(しめ)す値(あたい)は実効値(じっこうち)で、同(おな)じ抵抗(ていこう)で同(おな)じだけ発熱(はつねつ)（新しいタブで開きます）する直流(ちょくりゅう)の電圧(でんあつ)・電流(でんりゅう)の値(あたい)に当(あ)たる。日本(にっぽん)の家庭(かてい)用(よう)電源(でんげん)は、実効値(じっこうち)100Vの交流(こうりゅう)を使(つか)う。

発電所(はつでんしょ)の多(おお)くは、タービンで交流(こうりゅう)発電機(はつでんき)のコイルや磁石(じしゃく)を回(まわ)し、中学(ちゅうがく)の「電磁誘導(でんじゆうどう)」で学(まな)んだ仕組(しく)みで交流(こうりゅう)を発電(はつでん)している。発電所(はつでんしょ)でつくられた交流(こうりゅう)は、変圧器(へんあつき)でコイルの巻数(まきすう)比(ひ)に応(おう)じて電圧(でんあつ)を変(か)えられる。変圧器(へんあつき)も電磁誘導(でんじゆうどう)を利用(りよう)した装置(そうち)で、一次(いちじ)コイルに流(なが)れる交流(こうりゅう)電流(でんりゅう)が変化(へんか)する磁界(じかい)（新しいタブで開きます）をつくり、それが鉄心(てっしん)を通(とお)って二次(にじ)コイルを貫(つらぬ)くことで、二次(にじ)コイルに電圧(でんあつ)が生(しょう)じる仕組(しく)みだ。一次(いちじ)コイル（巻数(まきすう)$N_1$）と二次(にじ)コイル（巻数(まきすう)$N_2$）の電圧(でんあつ)の比(ひ)は、$\dfrac{V_2}{V_1}=\dfrac{N_2}{N_1}$という関係(かんけい)になる。エネルギーが保存(ほぞん)されるので、電流(でんりゅう)の比(ひ)はこの逆数(ぎゃくすう)で$\dfrac{I_2}{I_1}=\dfrac{N_1}{N_2}$だ。

送電(そうでん)線(せん)にも抵抗(ていこう)$R$があるため、電流(でんりゅう)$I$が流(なが)れると$I^2R$のジュール熱(ねつ)（新しいタブで開きます）が発生(はっせい)（新しいタブで開きます）する。これを送電(そうでん)損失(そんしつ)という。送(おく)る電力(でんりょく)$P=VI$を一定(いってい)にして電圧(でんあつ)$V$を高(たか)くすると、電流(でんりゅう)$I=P/V$は小(ちい)さくなるので、送電(そうでん)損失(そんしつ)$I^2R=(P/V)^2R$は電圧(でんあつ)の2乗(じょう)に反比例(はんぴれい)して小(ちい)さくなる。発電所(はつでんしょ)では、変圧器(へんあつき)で電圧(でんあつ)を高(たか)くしてから送電(そうでん)し、家庭(かてい)や工場(こうじょう)の近(ちか)くで再(ふたた)び使(つか)いやすい電圧(でんあつ)まで下(さ)げる。

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例題(れいだい)1：一次(いちじ)コイル100回(かい)、二次(にじ)コイル500回(かい)の変圧器(へんあつき)の一次(いちじ)側(がわ)に20Vを入力(にゅうりょく)した。二次(にじ)側(がわ)の電圧(でんあつ)は、V₂＝V₁×(N₂/N₁)＝20×(500/100)＝100V。

例題(れいだい)2：10000Wの電力(でんりょく)を、抵抗(ていこう)0.50Ωの送電(そうでん)線(せん)を使(つか)って電圧(でんあつ)100Vで送(おく)る。電流(でんりゅう)はI＝P/V＝10000÷100＝100Aで、送電(そうでん)損失(そんしつ)はI²R＝100²×0.50＝5000W（送(おく)った電力(でんりょく)の50%が失(うしな)われる）。

例題(れいだい)3：同(おな)じ10000Wを電圧(でんあつ)10000V（100倍(ばい)）で送(おく)ると、電流(でんりゅう)はI＝10000÷10000＝1.0A。送電(そうでん)損失(そんしつ)はI²R＝1.0²×0.50＝0.50Wで、送(おく)った電力(でんりょく)のわずか0.005%しか失(うしな)われない。

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送(おく)る電力(でんりょく)$P$を一定(いってい)にすると、電流(でんりゅう)$I$は$I=P/V$で電圧(でんあつ)に反比例(はんぴれい)する。送電(そうでん)損失(そんしつ)$I^2R$は電流(でんりゅう)の2乗(じょう)に比例(ひれい)するので、電圧(でんあつ)を10倍(ばい)にすれば電流(でんりゅう)は1/10、送電(そうでん)損失(そんしつ)は1/100だ。わずかな電圧(でんあつ)の違(ちが)いが、損失(そんしつ)に大(おお)きく影響(えいきょう)する。

変圧器(へんあつき)は、一次(いちじ)側(がわ)と二次(にじ)側(がわ)のコイルを鉄心(てっしん)で磁気(じき)的(てき)に結(むす)びつけ、交流(こうりゅう)によって生(しょう)じる変化(へんか)する磁界(じかい)を使(つか)って電圧(でんあつ)を変(か)える仕組(しく)みだ。この仕組(しく)みは変化(へんか)する磁界(じかい)が必要(ひつよう)なため、直流(ちょくりゅう)では使(つか)えない。送電(そうでん)が交流(こうりゅう)で行(おこな)われる理由(りゆう)の一(ひと)つは、ここにある。

家庭(かてい)で使(つか)う電気(でんき)製品(せいひん)の多(おお)くは、電源(でんげん)の交流(こうりゅう)を整流(せいりゅう)して直流(ちょくりゅう)に変換(へんかん)して使(つか)う。また、電磁波(でんじは)（マイクロ波(は)や光(ひかり)など）も変化(へんか)する電流(でんりゅう)や電圧(でんあつ)から生(う)まれ、通信(つうしん)や調理(ちょうり)器具(きぐ)（電子(でんし)レンジ）などに利用(りよう)されている。