交流電流が理解できません

質問

一般向けの平易に書かれてある解説書でも、ほとんど
「時間とともに周期的に大きさと向きが変化する電流」
としか書かれておらず、後は正弦波の図があるのみです。
本によっては回路図があり、その内側に右回りと左回りの矢印が
書かれてあるのが関の山です。
そこで疑問なのですが

１、直流であれば電流の方向は一定ですが、前述の回路図のように
電流が右回りと左回りを繰り返すのであれば、行ったり来たりしているだけで
流れていない事になります。
（一秒間に５０回とか６０回も入れ替わっているのですから）
にも関わらず交流電流が仕事をするのは、なぜなのでしょうか？

２、直流で作動するモーターは極性を逆にすると回転も逆になりますが
交流は、なぜそうならないのでしょうか？
ＡＣアダプターなど電源装置で整流してから直流で作動する電気製品も
多いのは承知していますが洗濯機は交流で稼動している製品が多いそうです。
私の理解では小刻みな正逆回転を繰り返すはずですが、
なぜそうならないなのでしょうか？

３、直流であれば「電流の方向と大きさは常に一定」と分かりやすく、
そのメカニズムも「マイナス極からプラス極への自由電子の移動」と
理解できますが、交流は「自由電子の移動」という観点からみると、
どう説明されるのでしょうか？

４、正弦波の図によればプラスとマイナスが絶えず入れ替わっていますが
（最大値は１４１Ｖ）、なぜサーキットテスターで測定すると実行値１００Ｖと
安定した測定値になるのでしょうか？
数値の変化を追いきれずに平均が表示されているとすれば０Ｖに
なるのではないでしょうか？

以上、一般向けの解説書を読んでも理解できないどころか、
逆に疑問が増えてしまう始末です。
以上の疑問を私でも理解できるように説明できる方がいらっしゃれば
ご享受、願います。

回答No.4

中村 拓男（@tknakamuri）

極性というものに誤解が有る気がしますが、取りあえず説明します。

1. 電流は流れれば仕事ができます。電流が逆に流れると
正に流れた時の仕事を打ち消すというような考えをお持ちのようですが、
それはおかしな考え方です。

例えば電球はタングステン原子に電子が衝突して、電子がタングステンに
熱エネルギーを与えるために点灯します。電子が逆に流れたらタングステン
から熱が吸い出されるわけではありません。

2. 最近の家庭用電気製品は インバータ式の同期モータが多いので、
基本的に直流モータです。つまり、中で交流をいったん直流に直して
それを電子回路でスイッチングして使っています。
交流から直接回転磁界を作るタイプのモータもあります。
　 このあたりは誘導電動機などを学習してみてください。

>私の理解では小刻みな正逆回転を繰り返すはずです

なんとなく想像されているものが判りますが、誘導モータなどの交流モータは
直流モータとは全く異なるものなのです。まずその構造を学習することをお勧めします。
もちろん電磁誘導に関する基礎知識が必要です。

3. 金属中では自由電子がいったりきたりしていると考えて問題ないと思います。

4. 「平均が表示されている」というのは正しいですね。テスターは一定期間で計測した
値を表示しています。瞬間値ではありません。

交流の電圧計は実効値(root mean square value, RMS) を計測する装置です。

実効値(root mean square value, RMS) とは電圧の2乗の平均の平方根です。

電圧を V = Asin(ωt) つまり正弦波とすると、
　 V^2 = A^2・(1/2)(1-cos(2ωt)) なので、交流の周期より十分長い期間では
V^2の平均値 = (1/2)・A^2 なので
　 実効値 = √(V^2の平均値) = (1/√(2))・A = 0.707 A

なのでピーク値が 141V なら RMS は 100V になります。

交流電圧系は実効値を計測するように作られていて、直流電圧系とは構造が異なります。

お礼

すべての疑問項目に丁寧な解説をしていただき、ありがとうございました。

補足

電流とは「乾電池のようにプラスからマイナスへの向きがある」
という固定観念にとらわれていました。
自由電子は必ずしもマイナス極から出てプラス極へ帰らなくても
往復する動き自体が（向きに関わらず）流れとなり
仕事をするのですね。
モーターに関しても直流モーターしか知らなかったので
誤解していた事が分かりました。