交流電源について…その１。周波数と極性変化。

質問

家庭で使われる商用電源AC100Vは正弦波ですから、プラス側の波形とマイナス側の波形で１つのサイクルと解釈しています。

そして、極性(＝流れる向き)が入れ替わる(反転する)のが交流だと思いますが、電気に関する参考書や過去のQ&Aを見てもそのほとんどが、50Hzの地域では１秒間に50回、60Hzの地域では１秒間に60回の速さで「極性が変わる」とだけ説明されており、100回／120回と記されたものは極めてわずかしか見当たりません。

私の想像では、プラスからマイナスに移行する時点、そしてマイナスからプラスに移行する時点でそれぞれ極性(＝電流の向き)が入れ替わるなら、１つのサイクルの中で２回極性の変化があるのではないか？と考えており、極性の変化は電源周波数の２倍の数である100回／120回のように思われます。

プラスの波形、マイナスの波形ともに、それぞれの合計は確かに50回／秒、60回／秒ずつとなりますが、極性が反転する瞬間だけを捉えるとどうしても２倍の数になってしまいます・・・

http://www.asahi-net.or.jp/~QC8K-STU/webtext/ii/ac/ac_circuit.htm

↑こちらなどでも、変化の速さは50(60)回／秒とだけ書かれています。

無駄に歳を重ねただけの文系人間ですので、私に誤認があるのかも知れませんが、周波数と極性変化の関係について、中学生程度でも理解できるようお教え下さい。
どうぞよろしくお願いいたします。

回答No.1

tttt23 · ベストアンサー

物理的現象としては murabito さんがお考えのとおりのことが起こっています。

このことを「50Hzの地域では１秒間に50回、60Hzの地域では１秒間に60回の速さで極性が変わる」とよく言っています。

この表現が日本語として正しいかどうかは物理学の問題というより、国語の問題ということになると思います。

> 100回／120回と記されたものは極めてわずかしか見当たりません。

私は見たことは無いのですが、このように記しているものがありましたか。

お礼

まず、極性の変化は私の解釈で良いのかな？という疑問があると同時に、表現する上での「暗黙のルール」的な決まりがあるのかも知れない…というのが、質問の動機でした。

やはり現象より「表記／表現」で引っ掛かっていたようです。
「それを含めて50Hz、60Hzという」と割り切ってしまえば何の問題もありませんね。

今現在、極性の入れ替わる回数を100回／120回と解説した図書は手元にありませんが、OKWeb／教えて!gooの中で(私の視点では)そのように解釈できるQ&Aがあります。
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=718641

↑その中でのNo.３さんの回答ですが、少し前に検索した際に同じ考えのようだと感じていました。

現象そのものについては、的外れではなかったようで安心しました。
早速ご回答頂き、大変ありがとうございました。

補足

No.５さんのところにも書かせて頂きましたが、「かわる(変わる)」と「いれかわる(入れ替わる)」の場合、音も意味合いも似通っているため、日本語ゆえの混同があると感じました。
変化は100回または120回。極性の入れ替わりは50回または60回で良いと納得しました。
日本語は難しいですね。

回答No.7

blueteeth7

A6,訂正です。

文中、「peak to peakで242Ｖ」とあるのは誤りで、正しくは「peak to peakで282Ｖ」です。

謹んでお詫び申し上げます。(-_-;)

お礼

【皆様へ】

頂いた回答はどれもありがたいものばかりで、とても優劣や順位が付けられず本当に困ったものです。

感謝の気持ちは全員に等しく20ポイントですが、今回は回答を読んでホッとした度合いでポイントを付けさせてもらうことにします。

どうもありがとうございました。感謝申し上げます。

補足

小学校の算数はずいぶんとサボったので、危うく信じるところでした！？

回答No.6

blueteeth7

>今後は極性の変化ではなく「極性の入れ替わり」と考えることにします。

締めくくりがこれでは、ちょっと気になります。
既に多数のご回答が入れられていますが、肝心のことが抜けているような気もいたします。
差し出がましくて恐縮ですが、【皆様へ】と書かれていますので、あえて書き込みさせていただきます。

要は、「最初のスタート点に戻るまでを一回と数える」のです。

質問者さんのお名前にちなみ、東村に住んでいる人が西村に住んでいる人のところへ尋ねて行くときのことを考えてみましょう。
行って帰って初めて「一往復」です。

途中にお地蔵さんがあり、前を通るたびにお地蔵さんの頭を１回叩くと仮定します。

行きがけに１回、帰りに１回、一往復で計２回叩かれます。
ところが、このお地蔵さんは右手が大変器用で、東側から叩かれるときは、右手を出して叩かれるのを防ぐ、と仮定します。
この場合、一往復で１回しか叩かれません。
前者が両波整流で、一往復で２回の「仕事」をします。
後者が半波整流で、一往復で１回の「仕事」しかしません。

蛍光灯・電球などは、叩かれるままになっていますので、50往復では100回叩かれます。

たとえ話ばかりでは申し訳ないので、本当のところを記載します。

ここに、上下に張られた二本の線があり、これにAC 100Vがかかっているものとします。
最初、（下側の線を基準にして）上側の線の電圧が0Vから徐々に増大して行き、最大で141Vまで上がります。
そこからは徐々に低下して行き、両線の電圧差は0Ｖになります。（ここまで電流は上側の線では右向きに、下側の線では左向きに流れます）

次には、（下側の線を基準にして）上側の線の電圧はマイナス方向へ増大します。
最大でマイナス141Ｖまで下がります。（上側の電圧の方が「下側よりも低くなる」ことにご留意ください）
ここから元に戻って（電圧差がゼロになって）ようやく１サイクルです。
（この間、電流の向きは上と逆向きです）

両線の電圧差は最大で141Ｖ以上にはなりません。（「peak to peakで242Ｖ」とも表現しますが、このような電圧差はどこにも現れませんので、あえて記載しておきます）

二線間において、このような電圧偏移をする正弦波交流がAC100V(実効値という)の正体なのです。
後は、これにつながる「負荷」が、「往復で仕事をする性質のものなのか」、「片側サイクルでしか仕事をしない性質のものなのか」、によって仕事をする頻度が変わってきます。
（半波整流回路は片側分しか利用しません）

蛇足ですが、質問者さんは大変こまめに補足、お礼をなさっていますね。
回答者としては、こういう質問者は大変回答し甲斐のある質問者です。
こういうスタンスを今後も取り続けて行かれれば、必ず良い回答が入ってくることと思います。

お礼

私の理解度を報告することで新たな指摘も得られるかと考え、意図的に締め切らずにいましたので、ご回答に感謝いたします。

かつて指導員でしたので「信号機の灯火色」を例に挙げますが、学科教本には「青色の灯火」と表記されており（イラストも青色）、また例外なくどのドライバーも「青信号」と呼びます。
しかし実際には、私たちが「青信号」と呼んでいるのは「緑色」系の灯火ではないでしょうか。
古来、日本人が「みどり」を「あお」とも表現してきた経緯はあるにせよ、教科書に載せる時点では「緑」と「青」が同義語であるとの補足説明が多少なりとも必要だと感じます。

本質問も同様で、上記に似た暗黙のルールが存在するような違和感を覚えての投稿でしたが、字数制限から背景を上手く伝えられず、論点のはっきりしない質問文となってしまいました。

一般人向けの参考図書であっても、中身は電気の専門家によって執筆あるいは監修されているはずです。
読み手が素人であることを前提にしたものであるなら、出来るだけ分かりやすい参考例を挙げ、誤解が生じないよう必要な説明があって然るべきだと考えます。
多くの一般向け参考図書では、「50往復では100回」という説明さえありません。
「周波数と同じ回数だけ極性が変化する…」その定義らしきものがどこにも見当たらなかったための質問でした。

> 「最初のスタート点に戻るまでを一回と数える」のです

それ以外に解釈のしようがないのですが、そのことがどの参考図書にも書かれていない気がします。
私が見落としているのか？そう書かれている資料は、残念ながら手元にはありません。
「重箱の隅…」と言われそうですが、参考書にその一行が記されていたなら、ここで質問しなくとも理解できていたかも知れません。

地図に道路が１本書かれていなかったために、迷子になった私…ということでしょうか。

またお世話になる節もあるかと思います、どうぞよろしくお願いいたします。
大変ありがとうございました。

回答No.5

info22

>極性(＝流れる向き)が入れ替わる(反転する)のが交流だと思います

交流は交番電流（Alternative Current）に由来していますが、極性が変わる三角波や矩形波の電流も交番電流に属します。通常、交流と言っているのは正弦波の交番電流を指します。

>50Hzの地域では１秒間に50回、60Hzの地域では１秒間に60回の速さで「極性が変わる」とだけ説明されており

周波数の単位は、現在は科学者の功績をたたえるためその人名ヘルツ（Herz）から取った「Hz」(読み方はヘルツ)となっていますが、それ以前はサイクル/秒(cycle/sec,c/s)が使われていました。これは「1秒当たりの繰り返し周期の数」といった単位ですね。

>変化の速さは50(60)回／秒とだけ書かれています。

ここで回は、本来の単位「c/s」の一秒当たりの繰り返し周期の"回数"の回からきているため、一秒当たりの極性の切替"回数"の回数ではないですね。同じ「回」でも歴史的な意味を背負っているのだと思います。言葉を短くするとその元の意味が失われ、その文字の短さから新たな解釈が生まれてしまうわけです。とはいえ、単位の表し方は、長い説明を含めた用語を使って書くことは避けられるため、質問者さんのような別の解釈も出てきてしまうわけですね。単位は一意的に決まっていなくてはならず、人によって解釈が違ってはいけません。ところが「回」などの漢字には色々な（省略された）意味が存在しうるため、質問者さんのような解釈も出t来るわけですね。Hz=c/sをカタカナを使わないで日本語で置き換えるとき、回/秒とするか、周期/秒ということになり、前者とした場合は解釈の違いが生じてしまうため、単位の一意性（解釈が一通りしか存在しないこと）から、適当な置き換えでは無いといえます。

>極性の変化は電源周波数の２倍の数である100回／120回のように思われます。

極性の切り替わり回数は、その通りの100回／120回ですが、単位の[回/秒]での"回"は一秒当たりの周期の回数（つまり周波数）の"回"です。

>家庭で使われる商用電源AC100Vは正弦波ですから、プラス側の波形とマイナス側の波形で１つのサイクルと解釈しています。

単位としての「回/秒」はこのサイクルに由来する「サイクル／秒」つまり「Hz(ヘルツ)」を日本語で置き換えたものですね。

AC100Vの正弦波の100Vと言うのは実効値（直流換算の実効的に等価な値）で正弦波の最高と最低の振幅は√2倍の約±141.42ボルトですね。

>変化の速さは50(60)回／秒とだけ書かれています。

引用のHPのこの表現も科学的な記述ではないですね。

交流の変化の周期は50(60)回／秒です。「回／秒」は「サイクル／秒」の意味の単位としてとらえた方がいいですね。
また、正の電流の半周期と負の電流の半周期では、電球が点灯するのが、電灯で消費される電力が電流の二乗に比例するため、電流の極性に関係しないため、周波数の2倍の周期で点灯（明るさの明暗周期）を繰り返します。これは交流の極性の反転回数と同じになりますね。

お礼

とても詳しくご説明頂きありがとうございます。
こんな私にでも非常に良く理解することができ、感謝いたします。
電灯類の点滅(明暗周期)が周波数の２倍ということを、私はたまたま昔から勝手に決め付けていましたが、世間の認知度はどれ位でしょうね。

【皆様へ】(このスペースをお借りします)

手元にある何冊かの参考書とかなり専門的なサイトを改めて見て、そして皆様からの回答を加味して想像したところ、具体的には２回の極性変化を伴っていても、「１回の極性の入れ替わり」と考えるようですね。

「変化」ではなく「入れ替わり」だと確かに分かる気がします。
目的地までの往復や、裏返したものをまた表に戻すなどのように、「２つの動作で１回／２つでひと組」とする約束事の上に成り立っているなら、何ら問題のない定義かも知れません。

とは言え、現実には「…商用電源は、その極性が１秒間に50回または60回変化する…」といった表現の何と多いことか。
今後は極性の変化ではなく「極性の入れ替わり」と考えることにします。

ご回答下さった皆様、どうもありがとうございました。

回答No.4

hama-t

おっしゃるように交流の極性の入れ替わりは周波数の２倍の回数行われます。
ちなみに、交流の定義としては周期的に極性が変化するものということが大前提ですので、たとえ正弦波をしていたとしても常に同一極性のものは交流ではありません。

ご指摘のURLのページでの説明には誤解をされたかも知れませんが、このページでの『変化』というのは『サイクル』のことだと解釈してください。
電圧で言えば、０Vを基点として１／４サイクル後には（便宜上）＋ピーク、１／２サイクル後にはまた０Vに、そして３／４サイクル後に－ピークを迎え、１サイクルで再び０Vに戻ります。
このサイクルのことを周期と言いますが、このページでは周期のことを『変化』と表現したのでしょう。

言葉のあやというか、非常に誤解を招き易い表現になっていますので、ご指摘のように思われたことは仕方の無いことだと思います。
少しでも参考になれば幸いですが。

お礼

やはり言葉／表現の問題のようですね。
極性の入れ替わりについては、どの参考図書にも注釈がなく、何を持って「１回」とカウントするのか分かりませんでした。
専門的に勉強された方たちの間では当り前の考え方だとしても、文系の人間が参考書の字面だけで捉えた場合、語句から受けるイメージで勝手な推測をするということを、私が実証した訳ですね。

稚拙な質問の意図を読んでご回答頂き、大変ありがとうございました。

補足

語句の用法に厳密な決まりがあるのかどうか分かりませんが、私の中では「変化」と「入れ替わり」で異なるものと認識するに至りました。
２回の「極性変化」で「極性の入れ替わり(１回)」という解釈で良いかと…

回答No.3

noname#24350

極性が変化する回数を数えるなら、貴方のおっしゃる通りです。確かに蛍光灯等の点滅回数も50Hzでは100回/秒、60Hzでは120回/秒となります。
　またよく誤解している人がありますが、交流電源を直流に変換するときに、両波整流をするとそのリップル周波数は倍の100/120Hzになります。電源ハムのブーンと言う音も100/120Hzになります。
　それにしても細かい事をよく観察されていると思います。よく気がつかれましたね。

お礼

再度、書店で何冊か調べてみましたが、どれも極性の変化が周波数の２倍の数であることには触れておらず、蛍光灯の点滅回数といった引き合いもなく、「交流は…１秒間に50回または60回、極性が入れ替わる…」といった説明がほとんどのようです。

多くの資料に電灯の点滅回数やリップル周波数などを参考例とした解説があれば、悩まずにすんだかも知れませんが、私の長年の疑問はやはり日本語の問題であったということで決着しそうです。
私のような理解力不足の人間向けに、必要な注釈を加筆してもらうよう働きかけもしようと思います。

jsy様からも教育の現場へ情報が伝わることを望みます。
どうもありがとうございました。

補足

実はかなり以前から疑問に感じていた事で、教えて!gooやネット上、また図書でもそれなりに調べてみましたが、納得できる答は見つかりませんでした。
もしや、解説する必要のない常識中の常識なのか？とも思いましたが、世の中の皆さんはご存知なのでしょうか・・・無知なのは私だけとか？
毎日お世話になっている電気なのに、本当は知らない事だらけのような気がします。

専門的な理論はさておき、中学～高校生あたりは、交流の概念をある程度イメージ出来ているのでしょうか。
蛍光灯の点滅回数など、分かるでしょうか？

専門家のjsy様にご回答頂いて、霧が晴れたように感じます。大変ありがとうございました。
半波整流と両波整流によるハム音の違い、経験しておりますので、改めてなるほどと納得した次第です。

私にでも理解できそうなおすすめサイトなどご存知でしたご紹介よろしくお願いいたします。

回答No.2

a987654

何か誤解をされていませんか？
周波数とは同じ状態を繰り返す周期のことを言います。
ｓｉｎ関数で説明しますと
（１）ＳＩＮ０°＝０
（２）ＳＩＮ９０°＝１
（３）ＳＩＮ１８０°＝０
（４）ＳＩＮ２７０°＝－１
（５）ＳＩＮ３６０°＝０→（１）ＳＩＮ０°＝０
となりますが、（１）は－から＋に向かう転機点であり
（３）は＋から－に向かう転機点で全く異なります。
こんな説明で理解いただけますか？

お礼

ご回答頂きありがとうございました。
年齢的に手遅れかも知れませんが、理論もしっかり勉強しようと思います。