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.5

fujiyama32

1)の回答です。

電流が入れ代わると同時に電圧も入れ代わります。
実際には電圧があるから電流が発生すると考えます。
電圧がプラスマイナスに入れ代わるので、電流も同時に入れ代わると
考えると良いでしょう。

このような状態ですので、行った時も仕事(*1)をするし、
来たりする時も仕事(*2)していると考えます。

(*1)次の計算式で考えると良いでしょう。
＋電圧×＋電流＝＋電力

(*2)同様に次の計算式で考えると良いでしょう。
－電圧×－電流＝＋電力

解説書の電圧や電流の波形に電力(＝電圧×電流)の波形(網を入れた
波形の図)を考慮した解説図を貼り付けましたので、参考にして下さい。
都合により図は2回に別けます。

なお、同じような図解のある解説書もありますので、図書館等にて
探して、参考にすると良いでしょう。

電力の図解の説明は次の通りです。

1)電球やヒータ(抵抗器)の場合
電球やヒータの場合は電圧波形の変化と電流波形の変化は遅れ進み
がない状態(同相と言います)で流れます。
このため、(*1)と(*2)の状態が繰り返します。
(*2)の状態でも電力は＋方向(マイナス×マイナス＝プラス)になり
ますので、電力が消費されていることが判ります。

電力が消費されていることは仕事をしていることです。
電球の場合は電気エネルギーが光や熱に変換して仕事をしたこと
になります。

2)コイルの場合(純粋なコイル成分のみとします)
抵抗が0Ωのコイルは電圧波形より90度遅れて電流が流れる電気的
特性があります。
この特性のため、電圧が＋でも電流が－の状態や電圧が－で、電流
が＋の状態もあります。
いずれもこの状態ではマイナスの電力となりますが、電圧と電流共
に＋、電圧と電流共に－の状態があり、この状態の時はプラスの
電力となります。
この状態が交互に繰り返されるため、平均すると電力は消費されな
いことになります。

また、次のように考えても良いでしょう。
電力がプラスの周期では、コイルに電流が流れ、コイルにエネルギー
が蓄えられます。
電力がマイナスの周期になりますとコイルに蓄えられたエネルギー
が放出されて、結果的にプラスマイナスゼロとなり、電力は消費さ
れないことになります。

3)コンデンサの場合
コンデンサには電圧波形より90度進んだ電流が流れる電気的特性が
あります。
2)と同様にコンデンサにエネルギーが蓄えられる周期と放出する
周期が繰り返されるため、電力は消費されません。

4)モータの場合
一般的な交流モータはコイル成分に小さな抵抗が直列に接続された
構成となっていると考えます。
この成分により電流波形は電圧波形より多少遅れた状態となります。
この状態ですと図解のようにマイナスの電力よりプラスの電力の方
がかなり大きい状態となります。
差し引き電力は消費されて仕事をしていることになります。
モータの場合は電気エネルギーを回転力に変換して仕事をしていま
す。
仕事の例としては扇風機、洗濯機、冷蔵庫などがあります。
加えて、モータ自身の損失として、熱を持つことや騒音を発生させて
いる等にエネルギーを消費しています。

お礼

文章と波形図を拝見した直後は「なるほどぉ～」と思いましたが、
文面の結論は頭に入っても、その過程の説明があまり理解できていない事に
気づきました。
もう少し基本的な事を理解してから解読（？）を試みようと思います。
長文の回答、ありがとうございました。