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2019年10月14日 (月)

コンセント100Vは最大141V⁉

以前こちらの記事でコンセントに来ている電気の交流がどんなものか触れました。

そして100V(ボルト)なのに実際は最大で√2倍の約141Vの電圧がかかっていることを書きました。

ではなぜそうなるのか・・・

まずはわかりやすいように直流で考えてみましょう。

理科の授業かなにかで習ったことがあると思いますが、電気の基本的な法則に”オームの法則”があります。
オームの法則
こんなの習いませんでした?

3つの式は順番を入れ替えただけで同じ関係を表しています。

例えば10Ω(オーム)の抵抗(電気の流れを妨げる働き)に100Vの電圧(電気を流そうとする力)を加えると10A(アンペア)の電流(電気の流れる量)が流れますよ。ということですね。

その電圧と電流の状況を図(横軸を時間、縦軸を大きさ)で表すと
直流電圧電流波形図
このようになっています。

時間は左から右へ流れています。

横一直線でなにも変化していません。

そしてこのときの電力[W(ワット)]を考えてみます。

電力は文字通り電気から発生する力のようなもので、その形態は熱であったり動力であったりと使用目的により様々です。

抵抗だけで考えるのが一番簡単なので今回はそれでいきましょう。

電力と電圧、電流の関係は
電力、電圧、電流の関係
こうなっています。

これまた3つの式は同じ関係です。

100Vのとき10Aであれば掛け算して電力は1000Wです。

このとき何が電気を1000Wも消費しているの?と疑問に思うかもしれませんが、10Ωの抵抗で熱になって消費しています。

それを図で表すと
直流電力1000Wの図
こんなふうになります。

高さだけを見ると1000W一定。

横軸が時間なのでそれを掛け合わせた面積が消費電力量[Wh(ワットアワー)]になります。

1000Wを1時間使えば1000Wh(1kWh)、2時間使えば2000Wh(2kWh)という具合です。

電気の請求書に○○○kWh(キロワットアワー)なんて書いてありますよね。一か月積算した使用量が出ていてこれに基本料金を合算して電気代に反映されます。

さてこれらを踏まえてここからが本題。
一般家庭に来ている電気は交流です。

細かいことは抜きにして力率1です。(何のことかわからない方はスルーして結構です)

交流100Vに10Ωの抵抗をつなぐとオームの法則通り10Aの電流が流れます。
直流とおなじですねぇ。

しかしその時の波形は
交流100V10Aの電圧電流波形図
こうなります。

電圧が100Vを超えて141.4Vまで上がったり下がったりしてますね。

ピークの141.4Vの時には電流もこれまたオームの法則で14.14Aまで流れています。

どうしてこれが100Vと言われるのか・・・しかも電流も最大で10Aを超えてます。

141.4Vは最大値と呼ばれ、100Vを実効値といいます。
この定義がよくわかりませんよね。

できるだけ感覚的にわかるように見ていこうと思います。

まず先ほどの直流で見た消費電力というのが実際に電気を使用している量でした。

では交流100V、10Aのときの電力はというと、
交流電力まちがい波形図
こうはなりません。

電圧と電流がマイナス側へいったら電力もマイナス側にいくかと思ったらそうではありません。

正しくはこちら
交流電力波形図
マイナス側はありません。

もし電力がマイナス側にいってしまうとプラスマイナスゼロになって電気代がかかりません。
そんなうまい話があるわけないですよね。

このことは計算式でもわかります。

例えば100V、10Aでは
電力式
電圧電流がプラス側の時はもちろん電力はプラス側。

かつ電圧電流がマイナス側でも計算結果はプラスになります。

これは算数で習いますよね。マイナス同士を掛け合わせると反転してプラスになる。
電卓で計算してもそうなります。

そして最大値は2000Wにもなっています。
(141.4V×14.14A≒2000W)

最小は電圧電流双方が0なので0W(電圧電流の極性が反転する瞬間ですね)

電力に時間も合わせた電力量は
交流電力量波形図
このピンク色の山の面積です。

ここらでピンと来た人もいるんじゃないかなぁ?

山の一番高いところが2000W。

その半分は1000W

そこで切り取って
交流電力量波形図2
上半分をひっくり返して谷に入れます。

山と谷は同じ形なので。

ホイッと
電力量1000Wh波形図
ぴったり1000W(1時間あたり1000Wh)。

交流では100を√2倍した141.4Vの最大値を持つ電圧が直流100Vのときと同じ電力(電力量)になりました。

直流と同じ仕事をこなせるということですね。

これが交流100Vの正体(?)です。

もし交流最大値が100Vだと実効値が70.7V位になって10Ωの抵抗では半分の500Wの仕事しかできません。

長い内容になってしまいましたがなんとなくでも伝わったでしょうか?

う~ん説明って難しい・・・😅

(波形図には十進BASICを使わせていただきました)

Katoairconservice_mark160
http://kato-aircon.com/

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