家庭用電灯がつく仕組みは？

質問

「君は学校を出たのか？」と言われそうな質問で恐縮なのですが、家庭用電灯がつく仕組みはどうなっているのか、お教えください。

まず、私の理解のレベルについて申します。私は、乾電池で豆電球がつく仕組みなら分かります。電池のマイナス極から電流が導線を伝って電球に至り、電球が光ります。ただ、それならば、マイナス極と電球を導線でつなぐだけで電球が光りそうなものですが、実際には、電球からさらにプラス極に導線をつないでおかなければなりませんね。つまり、電気は「乾電池→電球→乾電池」と循環するようになっていなければ流れないのであって、これを「回路」というわけですね。

さて、問題は、家庭用の電灯です。家庭用電灯はコンセントにつないで使います。つまり、コンセントから電気が流れて、コードを伝って電球に達し、電球が光ります。それは分かるのですが、その後が分かりません。電流は、電球からまたコードを伝って、コンセントのもう一方の穴から電源に戻るのかと思いきや、もう一方の穴は実はアース用だそうです。それならば、電球からの電流の復路がないではないか、と思います。

家庭用電灯は交流ですから、豆電球のような直流とは電気の流れが違うのかとも思います。「交流」は「時間の経過とともに大きさと向きが周期的に変わる電流」ですね。すると、電源から来た電流は、電球に達した後、そのまま逆戻りし、元のコードを伝って電源に帰る、ということを高速で繰り返しているわけでしょうか。

そもそも、この場合、電源というのがどの地点かも分かりません。発電所から来た電気が、家庭用電灯の電球に達した後、再びはるばる発電所に戻るとは考えられませんから、たとえば、安全器（ブレーカー）と電灯の間を、電気が激しく行ったり来たりしているのでしょうか。

いろいろなウェブサイトを調べてみましたが、子ども向けの基礎的な記述か、高度で難解な記述しか見つからず、結局、よく分かりませんでした。

小生、まったくの文系人間であります。どうかあきれずに、お教えください。よろしくお願いします。

回答No.1

sanori · ベストアンサー

こんにちは。

＞＞＞「君は学校を出たのか？」と言われそうな質問で恐縮なのですが

いえいえ。

＞＞＞小生、まったくの文系人間であります。どうかあきれずに、お教えください。

いえいえ。ちゃんとわかっている人は、意外と少ないですよ。

＞＞＞電流は、電球からまたコードを伝って、コンセントのもう一方の穴から電源に戻るのかと思いきや、もう一方の穴は実はアース用だそうです。

そうです。ちなみに、そのアースのことを「コールド」と言います。
私、大学の理系学部を出て、しかも電子関係の仕事をしていますが、
そのことを知ったのは、３０歳を過ぎてからです。

＞＞＞それならば、電球からの電流の復路がないではないか、と思います。

片方がコールド。
もう片方は、１秒に５０～６０回（言い換えれば、５０～６０ヘルツで）、－１４１ボルト～＋１４１ボルト　の間を往復します。
１４１というのは、１００×√２　です。
交流電圧の実効値は、最大電圧÷√２　なので、
振幅が１４１ボルトの交流の実効値は、１００ボルトです。

＞＞＞家庭用電灯は交流ですから、豆電球のような直流とは電気の流れが違うのかとも思います。「交流」は「時間の経過とともに大きさと向きが周期的に変わる電流」ですね。

そのとおりです。

＞＞＞すると、電源から来た電流は、電球に達した後、そのまま逆戻りし、元のコードを伝って電源に帰る、ということを高速で繰り返しているわけでしょうか。

大体そんな感じです。
ですから、－１４１ボルトに振れた瞬間最も明るくなり、０ボルトで暗くなり、＋１４１ボルトで再び最も明るくなり、また０ボルトで暗くなり、の繰り返しです。
それが真実です。
人間の目にそう見えないのは、人間の視覚の反応が遅いからです。
昔、レコードプレーヤの盤の回転数調節機能では、その、豆電球の点滅を利用していました。

やや話が逸れますが、人間の視覚の反応が非常に速いとすると、ブラウン管のテレビの画像も、まともに見えなくなります。（オシロスコープみたいに見えます。）
ビデオカメラでブラウン管の画面を撮ると変になるのも、同じ原理です。

＞＞＞そもそも、この場合、電源というのがどの地点かも分かりません。発電所から来た電気が、家庭用電灯の電球に達した後、再びはるばる発電所に戻るとは考えられませんから、

いえ。考えられます。
全体として考えると、結局は、大体そうなっています。
（そうでないと、電力料金を支払わないで電球を照らすことができることになってしまいます。）

＞＞＞たとえば、安全器（ブレーカー）と電灯の間を、電気が激しく行ったり来たりしているのでしょうか。

そのとおりです。
ただし、ブレーカーは始発でも終着でもありません。
ブレーカーを経由して、ブレーカーより向こうの場所まで行ったり来たりしています。

これを見るとわかりますが、発電所から一般家庭の電力に至る経路には、数々の段階があります。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E5%8A%9B%E7%B3%BB%E7%B5%B1
住宅の近くにある電柱で１００Ｖになるので、そこを「電池」とイメージすればよいと思います。

以上、ご参考になりましたら幸いです。

お礼

ありがとうございます。一問一答会話式でお答えくださって、理解が助けられました。

どうやら、私の理解も、それほど悪くない線まではいっていたのかな、と思いました。電灯をつけたあとの電流が、まさか発電所まで戻るはずはない、という所がひとつのネックだったのですが、「全体としてはそうなっている」と考えていいということで、すっきりしました（あるいは、近くの電柱を「電池」と考えてもよいとのことですが、この点についてはあとの方もコメントをくださいました）。

また、コンセントの一方は「コールド」、もう一方を電気が流れるというので間違いないことも分かりました。交流で点灯している電灯は、じつは目に見えない速さでちらちらしているということも理解できました。ACアダプタが何のためにあるかも、お答えがきっかけでやっと気づきました。

回答No.7

electron11

交流でも直流でも同じです
必ず一巡しなければエネルギーを取り出す事は出来ません　難しく考えない事です

電池と電球の理解で良いのです　交流の場合は柱状トランスを電池に置き換えて考えて下さい
この電池（柱状トランス）の極性が50/60Hzで切り換わっているだけです　電流の向きが交互に変わるだけ

トランスは電圧の変換をする為で交流だから出来る芸当とも言えます　直流ではこんな事は出来ません
アースなど考えなくて結構です　これは安全の為です。

補足

ご返信までに時間がかかってしまい、深くお詫びいたします。これまで皆さまからいただいたお答えを、うまく頭の中で整理できなかったためです。

電源については理解できたのですが、【コンセントの2つの穴のそれぞれの役割】が分かりませんでした。つまり、【電気はコンセントの一方の穴から来て、一方の穴から帰ると思っていた。しかし、一方の穴はアースで大地に電流を逃すためのものだと知った。それなら電気が帰る道がない。電気の戻り道はどこか】ということでした。

「一方の穴がアースである」ということは、下記のサイトなどから得た知識でした。一方の穴は「大地につながっている」と明らかに書いてあります。
　〔参考1〕http://allabout.co.jp/computer/av/closeup/CU20030822/

この部分が、皆さまのご回答とかみ合わないように思われ、困り果てました（No.7の方から「アースなど考えなくて結構」と言っていただきましたが、まだ分かりませんでした）。いろいろ考えた末、No.1の方が、一方は正確には「アース」ではなく「コールド」だと言われたことをヒントに検索してみました。

すると、たとえば下記のサイトでは、電流の往路は「ホット」、復路は「コールド」と説明されていました。
　〔参考2〕http://www.ceres.dti.ne.jp/~warnerg/SHOBI/TOSS/09/balance.htm

これなら分かります。No.7でご説明いただいたとおり「電池と電球の理解で良いのです」ということになりそうです。ホット側から来た電流が電灯をつけ、コールド側から帰るだけのことですね。

おそらく「コールド」にはアース的な役目もあって（？）、それで〔参考1〕のような記述になったのでしょうが、電気が電灯をともす仕組みを考える上で、それは考えなくてもいいのでしょうね。

以上の理解につきまして、問題がありましたら、コメントをいただければ幸いです。

回答No.6

noname#101110

NO.5 です。
交流の電気はあくまで２本線でエネルギーを伝えているのでしょうね。
電流そのものが発電所から直接送られてくるのではなく、電線に起こる脈動でエネルギーを伝えていると解釈することが可能です（この点で血そのものを送るための血管とは違います）。発電所が起こして伝えてくる脈動（電磁波動）で家庭の電球のフィラメントに電流が起こり、エネルギーがもたらされると考えればいいと思います。その電流を流す落差（電圧）を確保するために２本の線が必要なのでしょう。一本だけでは落差は発生しません。２本目の線は余った電流がもどっていくのではなく、伝えられた電磁波が戻っていくのだと思います。

補足

ご返信までに時間がかかってしまいました。深くお詫びいたします。

遅くなってしまった理由は上のNo.7の方のところでご説明した通りですが、なお補足的に申し上げます。

「交流の電気はあくまで2本線でエネルギーを伝えている」とのお答えをいただき、ではその2本の線はどこか（コンセントの一方の穴は接地用だとすれば残りは1本しかない?!）と、混乱してしまったわけです。

それで、「もしや、コンセントの一方の穴に2本の線が通っているのでは」などと考え、いらなくなったプラグの先を分解しようとしました。プラグの一方の刃に2本の導線がついているのでは、と考えたのです。

しかし、プラグというものは、安全のためか分解しにくくなっています。試行錯誤の末、つい昨日、鉛筆を削るようにして、プラグの先をカッターナイフで削り、内部を露出させました。すると、何のことはない、一方の刃は、単純に1束の導線と接続されているだけでした。

それで、初めから考え直した末、初めの「一方の穴はアース」という捉え方が不正確だったのではと思い至った次第です。「電流はコンセントの一方の穴から来て、一方の穴から帰る以外にあり得ない」と考えました。

以上、お恥ずかしい次第ですが、問題がありましたら、コメントをいただければ幸いです。

回答No.5

noname#101110

私が考えたイメージをお話します。
電源ははるか遠くの発電所です。
ともかく現実に家庭のコンセントと発電所は電気的につながっているわけです。
質問者様がコンセントの白黒の端子間に豆電球をつなぐとその間に電流が流れます。
電流は発電所から送られてくる交流の波を伝えて正確に-１４０Ｖから+１４０Ｖまでの間で脈打ちます。
電流そのものはさほど早くは流れていません。
ただその脈はほぼ光の速さで発電所から伝わってきています。
その脈に応じて電流は右往左往しているわけです。
血液が心臓の動きで脈打つようなものだと考えればほぼ間違いないと思います。
もっとも血液は一方方向へしか行きませんが。

お礼

ありがとうございます。電流の波が、血液でいえば拍動のようなものと考えると、これまたイメージしやすいですね。

ただ、おっしゃるように、血液は一方向へ流れますので、交流電流となると、どう理解すればいいのか、ちょっと理解が行き届かない部分もあります。たとえば、心臓（発電所・電源）←→肺（電灯）の間の動脈を、血液が早い速度で拍動しながら往復する（静脈へ行かずに）ということになるのでしょうか（静脈へ行かずに、というのは、No.2・No.3のご回答への補足で書いたように、家庭のコンセントは複線でなく単線のように思われたからです。このあたり、私の理解は怪しいのです）。

もっとも、「たとえ」はあくまで「たとえ」で、厳密に突きつめてはいけないかもしれません。補助的なイメージとして、納得できました。

回答No.4

arashi1190

専門的なことは前出の方々が回答済みでので、電源はどこかということについて。
電源は「発電所」、「電柱の上に乗っている変圧器」どちらでも正解と言えると思います。

豆電球と電池の回路の説明で、電池から原材料を載せたトロッコが電線を走り、豆電球という工場でで原材料を消費した空のトロッコが電池に戻るという説明を聞いたことがあると思います。

交流の場合、変圧器の一時側と二次側は物理的につながっていません。
つまり、発電所を出たトロッコがそのまま家庭まで行くのではなく、変圧器で荷物を降ろすと引き返してしまいます。
発電所では大きな石炭の塊を生産し、これをトロッコに乗せて送電線という線路を走り、変圧器という工場に降ろし発電所に引き返します。
変圧器という工場では大きな塊を砕いて別の送電線という線路を走るトロッコに石炭を載せます。
最後に電信柱の上にある変圧器という工場で家庭のストーブで使える大きさに砕いて家庭に供給し、空のトロッコは電柱の上の変圧器に戻ります。
という考えはいかがでしょうか？

大元の石炭を供給しているのは発電所ですが、家庭で使える大きさの石炭を供給しているのは変圧器ということです。

トロッコのたとえは直流の考えですので実際には異なると思いますが、雰囲気はわかっていただけるのでは？

お礼

ありがとうございます。私は「トロッコと石炭」のたとえは知らなかったので、具体的にイメージすることができました。小さな石炭を供給するのは、直接には最寄りの変圧器であるが、その大元はやはり発電所につながっているということですね。

交流の場合は、電灯の側からも小さな石炭が運ばれていって、それが変圧器の部分で大きな石炭にまとめられて配電線を戻っていく……ということなのかと思います。

交流の場合はともかくとして、電源のイメージについては、おかげさまで納得できました。

回答No.3

okachiyan

No.2追加記述
>すると、電源から来た電流は、電球に達した後、そのまま逆戻りし、元のコードを伝って電源に帰る、ということを高速で繰り返しているわけでしょうか。

同じ線を「そのまま逆戻り」では「電球点灯させる」「モーターを回す」などの「仕事」ができませんし電流も流れ得ません。
交流は確かに「時間の経過とともに大きさと向きが周期的に変わる」ですが電圧「0」の瞬間以外は二本の線の一方から他方に電流が流れています。
つまり電流は「そのまま逆戻り」ではなく一方の線「+電位」から接続された機器を通り「仕事」をした後に他方の線「-電位」から電源に帰っているのです。
誤記訂正
低圧配意電線→低圧配電線

補足

2通ご回答くださり、ありがとうございます。補足質問いたします。

No.2とNo.3でのご説明によると、「発電機と電球とは直接2本の線でつながっている」のであって、電流が1本の線を「そのまま逆戻り」するわけではないということでした。しかし、家庭の2穴のコンセントで、一方が「コールド」であるなら、残りは1本の線であるように思われますが、違うのでしょうか。電気が流れるには、往路・復路の2本が必要だとは思いますが……。

家庭のプラグを分解して調べてみようと思いましたが、危険そうでもあり、ふたも開かないのでやめました。交流のイメージについては下記のウェブサイトなどを参考にしましたが、この図では、往路・復路は別々ですね。
http://www.geocities.jp/hiroyuki0620785/k1dennki/acdc.htm

基本的なところでつまずいておりますが、お教えいただければ幸いです。

なお、電源については、No.1の方のお答えとニュアンスの違いはあるかと思いますが、どちらのご説明でも納得することができました。

送電線と家庭の配線との本数の差は、とりあえず考えないようにします。

回答No.2

okachiyan

これ小学校の理科の教科書にありますよね
ただし一般的に「電力消費」という考えで説明されていて電源回帰という考え方で記述されていないのでこういう質問になるのかな。
>電気は「乾電池→電球→乾電池」と循環するようになっていなければ流れないのであって、これを「回路」というわけですね。
家庭に交流の電気が供給される大まかなルートは以下のようになります。
　　　【発電所】　　　　　　　　　　　　　　【変電所】　　　　　　　　　　　　　　【柱上など】
交流発電機----変圧器----送電線----変圧器----高圧配電線---変圧器---低圧配意電線----コンセント---電球

実際の送電経路は交流の特性を有効利用するため「変圧器」を使用して電圧を変えていますが、ある瞬間をとらえた論理回路的には発電機と電球とは直接2本の線で繋がっていると考えられ、質問者の記述どおり発電機の「+」端子から出た電流は電球を通過し発電機の「-」端子に帰るという回路を形成します。
従って「電源」は、発電所の交流発電機です。

>もう一方の穴は実はアース用だそうです
家庭の配電線の片方が接地されているのは、変圧器故障などの際に高圧が低圧配電線に流れ込むのを防止するためとか家庭内での漏電の際に遮断器を動作させるためで電源への回路を構成しているのではありません。
発電所から家庭までの送電経路については「発電所」「送電線」「変電所」「配電線」などのキーワードで検索されればウィキペディア（Wikipedia）などで詳しい情報が得られると思います。
こんな説明でいかがでしょう。
NO1の方と電源の考え方が違いますがこれはご自由にと
「送電線は3本ある」のに家庭の配線は「どうして2本なのか」という質問が来ないように願っています。