電圧の波長などについて

質問

質問が複数ありますが、ご容赦ください。

(1)交流の波長
交流電圧の波長は
波長＝30万km÷周波数で表されると思います。
50HZでは6000kmとなりますが、これは非常に長い電線に正弦波電圧印加して1秒経過した場合、
1500kmの地点は-の最大値、
4500kmの地点は+の最大値、
3000kmと6000kmの地点では０Ｖになるという解釈でよいのでしょうか？

(2)波長と光速の関係
上記(1)に関連しますが、50HZの波長は6000kmですが電界は光速で電線の中を進むので、電圧印加から1秒後は0から30万kmの地点までの電線の電子が動き始めていて、30万kmから先の電線の電子は動き始めていないという解釈でよいのでしょうか？

(3)直流やインパルス電圧について
直流や雷などのインパルス電圧は周波数がないため波長という概念がなく、電線に侵入した雷は光速で伝達されるという解釈でよいのでしょうか？

よろしくお願い致します。

回答No.3

tadys · ベストアンサー

良い所に気が付きましたね。

（１）
電線の長さと交流の波長が同じくらいになってくると電線の場所によって電圧（電流）の位相が異なってきます。
０kmの地点で正弦波の位相をゼロとすると、
０kmでは電圧ゼロ、
１５００kmでは位相が1/4πで電圧が最大
３０００kmでは位相が1/2πで電圧がゼロ
４５００kmでは位相が3/4πで電圧が最小
６０００kmでは位相が4/4πで電圧がゼロ
になります。（最大か最少かはグラフの軸を左右どっちにするかで逆になります）
電源は交流ですから、０km地点でも時間とともに変動しています。
時間によってゼロだったり、最大だったり最少だったりするわけですが。

電線の長さと交流の波長が同じくらいになってくると普通の電線と同じ取り扱いが出来なくなり「分布定数回路」として取り扱う必要が有ります。
例えば、長さ３０００kmの電線の端に５０Hzの電源だけをつなぐと電流が流れ込まなくなります。
そして、１５００kmの位置では電圧がゼロになるのでその場所に電力を送る事が出来なくなります。
この場合、３０００kmの場所で電力を使い始めると電源から電流が流れて電力を送る事が出来ます。
そして１５００kmの位置にも電圧が現れて電力を受け取れますがその時の電圧は電源の電圧とは異なるものになります。
このように、長距離の交流送電ではある場所での電力の変動が他の場所での電圧変動となる為あまり長い距離での交流送電は行う事が出来ません。

（２）
その解釈で良いのですが、ちょっと誤解が有るかもしれません。
電気エネルギーの伝わる速さは光の速度で良いのですが、電線中の電子が移動する速さは一秒間に数ミリメートル程度なのです。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E6%B5%81
ですから、交流が流れている時の電子はほとんどその場で揺れていると言っていいのです。
電気の速度と電子の速度は別の値を持っています。
これは、サッカースタジアムでのウエーブの動きに例える事が出来ます。
ウエーブは左右に移動しますがウエーブを作っている人はその場を動きません。

（３）
はい、その通りです。
どんな物理現象であっても（真空中の）光の速さより早く伝わる事は出来ません。
（見掛け上光より早く伝わる現象はあります。また、水中の電子は水中の光より早く伝わる事が出来ます。）

以上で述べている「光速」は真空中の光速を意味しません。
真空で無い場合の光速は周りの透磁率と誘電率の影響で真空中の光速より遅くなります。
例えば、TVアンテナ用の同軸ケーブルではその速度は真空中の光速の６０％程度です。

もっと調べたい時の為に参考URLとキーワードを述べておきます。
参考URLはちょっと専門すぎるかもしれませんが。
http://www.geocities.jp/rfpagejp/rfpage.html
「分布定数回路」「伝送線路」「定在波」「VSWR」「シグナルインティグリティ」

お礼

大変わかりやすく解説していただき、ありがとうございます。
もっと勉強してみます。
またわからないところがありましたら、質問をさせていただきますので、よろしくお願い致します。

回答No.2

yvfr

光速で伝搬するのは理論値です

光も、真空中での速さが秒速約30万kmですが、空気中や水中ではそれよりも遅いです

電気も同様に実際の導線の中の伝搬は、秒速20万kmとかに落ちます

基本的な概念は間違っていないと思いますよ

お礼

ご回答ありがとうございます。
参考になりました。

回答No.1

noname#146601

いろいろ勘違いをされているようですが，電圧の波長ってなんですか？

電流は光速では伝搬しませんよ．

補足

ご回答ありがとうございます。

私の勘違いOR言葉不足かもしれませんが・・・

＞いろいろ勘違いをされているようですが，電圧の波長ってなんですか？

電圧の波長と言っているのは50HZ正弦波交流電圧の波長で
λ[m]=V[m/s]／f[Hz]のΛの部分のことを指しています。

＞電流は光速では伝搬しませんよ．
電子の流れが遅いことはなんとなくわかっているつもりですが、電界は光速（理論値）で伝わり、電子はゆっくり（たとえば1mm2の銅の電線では0.1mm/s）と動くと理解しています。
上記を踏まえると、電源に接続して1s後は、30万kmから先の電線の電子は動き始めていないのかなという疑問があり、ご質問しました。