50Hzと60Hzの電流があるのはなぜ?直流電流と交流電流の違いは電流の向き!

豆電球と発光ダイオード(LED)の違いは?

豆電球と発光ダイオード(LED)の違いを覚えていますか?

LEDのほうがエネルギー効率がいいことも学びましたが、今回は電流の向きに注目しましょう。

豆電球は電流の向きに関係なく光りましたが、LEDは+極側から電圧がかかると光るが、-極側から電圧がかかっても光りませんでしたね。

↓LEDの復習はコチラから

電流には+極・-極がありますが、コンセントには+極・-極はありませんよね?

コンセントはプラグをどっち向きに差しても使えますね。いったいなぜでしょうか。

たしかになんでコンセントに向きがないんだろう?

今回はコンセントの電流の秘密について学んでいきましょう!

今回の課題

直流電流と交流電流の違いはなんだろう?

電流には直流電流(DC)交流電流(AC)の2種類があります。

直流電流(DC)は「電流の流れる向きが一定で変わらない」電流のことで、

交流電流(AC)は「電流の流れる向きが周期的に入れ替わる」電流のことです。

電流が周期的に入れ替わるってどういう意味???

超理解しにくいんですが、交流は電流が行ったり来たりしているんです!

コンセントから流れる電流は交流で、行ったり来たりするから+極・-極がないんです。

POINT直流電流は電流が一方通行

交流電流は行ったり来たりする

実験をして、直流電流と交流電流の違いをとらえて行きましょう。

電源装置を見るとAC・DCを切り替えるレバーがあるので、これを使って直流電流と交流電流の違いを調べることができます。

電源装置の説明

電源装置を使って①発光ダイオード②コイル③オシロスコープの3つの装置の違いを学んでいきましょう!

DCのDはダイレクト(direct)頭文字だからDC=直流と覚えよう!

実験①発光ダイオード(LED)

発光ダイオードに直流電流と交流電流を流して実験してみます。

発光ダイオード(LED)に直流電流を流したらどのように光るでしょうか?

LEDは赤色の導線を+極につなぐと光るんだったね。

写真のように、発光ダイオードを並列つなぎにして片方は+極、もう片方は-極を先につなぎます。

どちらの導線から電流が流れているのかよく見てくださいね。

赤色のLEDだけ光った!

赤色のLEDには+極から電流が正しく流れているけど、青色のLEDは逆向きに流れているね。

だから赤色のLEDだけが光って青色のLEDは光らないんだ。

じゃあ電流の向きを変えるとどうかな?

電流を逆にすると青色のLEDだけが光ったね。

直流電流は一方通行だからどちらか片方のLEDしか光らないんだね。

交流電流は乾電池の電流と同じように常に同じ向きの電流が流れる

じゃあ交流電流にしてみましょう。

交流電流の場合はどうなるでしょうか?

交流電流は電流が行ったり来たりになるんでした。

電源装置のレバーを切り替えると、

両方とも光った!

ように見えますね。

電流の向きをレバーで変えると、

赤・青の両方のLEDが光り続けているように見えますが、実はそうではないんです!

どういうこと?

肉眼でもなかなかわかりにくいですが、実は赤と青が交互に光っているんです!

交流は電流が行ったり来たりするので、行きは赤色のLEDが、帰りは青色のLEDが光っているんです。

つまり、2つが光っているように見えますが、同時に光っている瞬間はないってことなんです。

どのくらいの頻度で切り替わるかというと1秒に60回という速さで電流の向きが変わっています。

これに関しては、後でオシロスコープを使って詳しく説明します。

交流電流は1秒で60回向きが変わるから、その速さでLEDも交互に光っている

②コイル

コイルに電流を流すと磁界が発生しましたね。

コイルに直流電流を流した状態で磁石を近づけるとコイルが電磁石になっているので、引き付けられます。

じゃあコイルに交流電流を流して磁石を近づけるとどうなるでしょうか?

実際にやってみました。

やってみると、磁石が振動したように動きます

使った磁石よりも強力な球体のネオジム磁石を使ってみましょう。

ネオジム磁石をコイルの中に入れるとネオジム磁石がコイルの内部で回転しました!

これは楽しくて不思議!!

不思議な体験なのでぜひやってみてください。

原理は、電流の向きによって磁界の向きが決まっている(右ねじの法則)からで、その変化によって磁石が不思議な動きをするんです。

③オシロスコープ

オシロスコープは1年生の学習で出てきましたね。

音を波の情報にして目で見ることが出来る装置でした。

オシロスコープは音だけでなく、電流も波の情報としてみることが出来ます。

↓1年生のオシロスコープの復習はコチラ

オシロスコープに直流電流を流して波の様子を見てみましょう。

真っ直ぐな線ができたね。

オシロスコープの波はどちらから電流が流れ込んでいるかを表しています。

0よりも上にある時は右から左に電流が流れていると考えてくださいね。

普通に直流電流を流すと右から電流が流れているので、上に直線ができるんですね。

じゃあ電流の向きを逆にするとどうなるでしょうか?

オシロスコープの波が0より下になった!

そうですね!

電流の向きを変えると波が変化しましたが、直流電流の波は直線であることには変わりはないようですね。

では、本題の交流電流を流してみましょう!

交流電流はこのように波になっています。

電流が波になってる!

まるで音のようですね!

オシロスコープの波は電流の向きの変化を表しています。

波のグラフが0よりも上にある時と下にある時は電流の向きが逆になっているので、交流電流が周期的に向きを変えていることがわかりますね。

交流電流をオシロスコープで観察すると波状になっている

なぜこうなるかは難しい話ですが、発電所でタービンを回して発電しているので、三角関数(高校数学)のグラフになります。

簡単に言うと円を回すと原点を中心に上に行ったり下に行ったりしますよね。

その変化がこのグラフなんです。回転によって発電しているから電流が行ったり来たりするってことです。

オシロスコープの波の振動回数を数えれば電流の周期的な変化がわかります。

この交流の1秒間に繰り返す電流の向きの変化を周波数といい、単位はHz(ヘルツ)で表します

Hzは音の単位と同じですね。

電流の向きの変化の数を周波数といい、単位はHzで表す

電流の周波数は地域によって違い、1秒間に50回行った来たりする50Hzの場所と60回行ったり来たり来たりする60Hzの地域があります

この違いは発電所の発電機の違いによって生まれ、静岡県の富士川と新潟県の糸魚川らへんを境にして西側は60Hz、東側は50Hzの周波数になっています。

この違いは明治時代に輸入した発電機が西日本はアメリカ製の60Hzのもの、東日本はドイツ製の50Hzのものを使い続けていることで生まれています。

昔の家電は50Hz用、60Hz用で別々でしか作れなかったので、西日本⇔東日本で引っ越しをする時は家電を買い替えないといけなかったんですが、最近は共用になったので買い替える必要はなくなりましたね。

POINT交流電流の周波数は西日本は60Hz、東日本は50Hz

ACアダプターの役割は?

スマホの充電器やパソコンの充電器などにはACアダプターが付いています。

特にパソコンのACアダプターはわかりやすい、あの長く使うとめっちゃ熱くなっているやつです。

スマホなどの充電器も使っているとコンセントに差す部分が熱くなっていますよね。

ACアダプターは交流を直流に変換しているんです。

冷蔵庫や電子レンジなどは交流のままでも使用できますが、パソコンなどの精密機器は直流でないと使うことが出来ないんですね。

ACアダプターによって交流を直流に変えるだけでなく電圧の大きさを変えたりすることも可能になっています。

今日のまとめ

直流電流(DC)「電流の流れる向きが一定で変わらない」

交流電流(AC)「電流の流れる向きが周期的に入れ替わる」

交流電流の入れ替わる回数周波数(Hz)で表し、地域によって50Hzと60Hzに分かれている

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プロフィール
ゆうしろ

私立中・高一貫校の現役理科教員です。
専門は生物学で、中学・高校理科の教員免許を持っています。
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