交流（AC）とは｜定義・仕組み・波形（正弦波・方形波）と用途
交流（AC）の定義・仕組み・正弦波・方形波など波形別の特徴と用途を図解でわかりやすく解説、家庭・工業応用まで網羅。
交流（AC）とは、方向が一定である直流とは異なり、大きさや方向が変化する電流のことです。つまり、回路に流れる電流の向きや電圧の極性が周期的に反転します。家庭用コンセントや工場の供給電源で使われるのが典型的な例です。
仕組みと基本特性
交流は時間とともに変化する波形として表され、最も基本的な数学的表現は正弦波です。時間 t における電圧 v(t) は一般に次のように書かれます：v(t)=Vmax·sin(ωt+φ)、ここで ω=2πf（f は周波数）、φ は位相です。交流では実効値（RMS）が重要で、正弦波では Vrms = Vmax/√2 となります。実効値は電力計算や測定器の表示に用いられます。
交流の周波数は地域によって異なり、多くの国で 50 Hz または 60 Hz が使われています。一般的に「1つが交流を話すとき、1つは主に電気が企業や住宅に供給される形態を指します。交流は発電所から来ています。」という点が重要です。発電所で回転機（発電機）を使って交流電圧を作り、変圧器で電圧を変えて遠距離へ送電します。
波形の種類と特徴
波形は、用途によってさまざまです。交流の代表的な波形には以下があります。
- 正弦波：発電所や送配電で最も一般的。回転機で自然に得られ、変圧器やモーターと相性が良く、効率的に電力を伝送できます。
- 方形波（矩形波）：高速に極性が反転する単純な波形。デジタル回路や一部のインバータで使われます。安価なパワーインバーターは、方向の変化の間に一時停止を伴う方形波を生成しますが、このような方形波は家電に悪影響を及ぼす場合があります。
- 三角波・のこぎり波：音響合成や一部の制御回路で使われ、周波数成分（高調波構成）が異なるため特性も変わります。
用途と応用例
交流は送配電だけでなく、さまざまな分野で使われます。主な用途は次の通りです。
- 電力供給：家庭や産業に電力を供給する基礎。高電圧で効率よく送電し、変圧器で受電側に合わせて電圧を下げます。
- 電動機の駆動：交流モーター（同期機・誘導機）は工業用設備の主要駆動源です。三相交流は回転力を滑らかに伝達できます。
- 電力変換：整流器でAC→DC、インバータでDC→ACへ変換し、PCの電源や太陽光発電、UPS、可変速ドライブ（VFD）などで用いられます。
- 信号伝送：電線で運ばれるオーディオ信号やワイヤを介した通信、ラジオ信号も広義の交流です。これらでは情報を変調された情報を回復すること（復調や検波）が主目的になります。
三相交流と利点
産業用では一般に三相交流が使われます。三相は各相が120°位相差を持ち、単相に比べて電力供給が滑らかで機械の効率が良く、送電のための導体使用量を抑えられる利点があります。三相を使うことで回転機の起動や負荷分散が容易になります。
実務上の注意点（測定・安全・高調波）
- 測定：オシロスコープで波形を観測し、周波数・ピーク値・歪みを確認します。交流の電圧や電流は実効値（RMS）で表示されることが多いです。
- 高調波と歪み：方形波や非線形負荷は高調波を生み、機器の発熱やノイズ、誤動作の原因になります。フィルタやパワーエレクトロニクスで対策します。
- 安全：高電圧の取り扱いは危険です。絶縁、接地、漏電遮断器（GFCI）や保護装置の設置が重要です。
まとめ
交流は周期的に極性や方向が変わる電流・電圧で、送電やモーター駆動、信号伝送など多くの用途に用いられます。代表的な波形は正弦波ですが、用途によっては方形波や三角波が使われます。用途に応じた波形・周波数・変換方式の選択、そして測定・安全対策が重要です。
動きのあるぼかし露出で見た街の灯り。ACの点滅で線が連続ではなく点線になってしまいます。
歴史
ニコラ・テスラは電気的共振の実験を行い、様々な照明システムを研究しました。彼は誘導電動機、新しいタイプの発電機と変圧器、交流送電システムを発明しました。
ウィリアム・スタンレー・ジュニアは、絶縁された回路間で交流電力を効率的に転送する最初の実用的な装置の一つを設計しました。共通の鉄心に巻かれたコイルのペアを使用して、誘導コイルと呼ばれる彼の設計は、近代的な変圧器の初期の先駆けとなりました。今日使用されているシステムは、19世紀後半に、主にニコラ・テスラによって考案されました。また、ジョージ・ウェスチングハウス、ルシアン・ゴラード、ジョン・ディクソン・ギブス、ウィルヘルム・シーメンス、オリバー・シャレンジャーも貢献しました。交流システムは、トーマス・エジソンが長距離にわたって効率的に電力を分配するために使用した直流システムの限界を克服しました。
ミルクリーク水力発電所は、1893年にカリフォルニア州レッドランズ近郊に建設されました。Almirian Deckerによって設計されたこの発電所は、10,000ボルトの三相電力を使用しており、これが最終的には世界中の発電所の標準的な方法となりました。
どのように機能するか
交流電源の方が安くて電子機器を作りやすい。また、交流電源の電源スイッチも安価で作ることができます。直流よりも電流の増減が非常に簡単にできるので安価です。交流は小さい電流で高い電圧を使うことができるので、電力を送るときの損失を減らすことができます。交流は電線の発熱を抑えることができます。直流の電力を送ることはできても、損失が大きく、長距離を送るためには電力に負荷をかけなければなりません。これが変圧器ステーションをあちこちに設置していない理由です。交流は、それがそれが来た源に戻る間、電流を絶えず何度も前後に切り替えることによって動作します。
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質問と回答
Q:交流（AC）とは何ですか?
A: 交流とは、大きさや方向が変化する電流のことで、方向が一定である直流とは異なります。
Q: 通常の交流電源回路の波形はどのようなものですか?
A: 交流電源回路の波形は、エネルギーを最も効率よく伝達できる正弦波が一般的です。
Q: 用途によって異なる波形があるのですか?
A: 三角波や矩形波など、用途によって異なる波形を使用します。
Q:安価なパワーインバータでは、どのような波が発生するのですか?
A:安価なパワーインバータは矩形波で、方向転換の間に間があります。
Q: 交流はどこから来ているのですか?
A:交流というと、企業や家庭に電気を供給する形態を指すことがほとんどで、交流は発電所から供給されます。
Q: 電気の向きは1秒間に何回戻るのですか?
A: 1秒間に60回（世界の一部では50回）、電気の向きが入れ替わります。
Q: 電線に流れる交流信号にはどんなものがありますか?
A:電線に流れる音声信号や無線信号は、いずれも交流信号の一種です。これらの用途では、交流信号に符号化または変調された情報を復元することが重要な目的であることが多い。
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