「直流」と「交流」の違いをゼロから理解する｜波形・身近な例・ACアダプターが何をしているか

電池とコンセント、同じ「電気」なのに何がちがう?

こんにちは、ボーノです。「電気回路の教科書」シリーズのEpisode 6、今回のテーマは「直流 (DC) と交流 (AC) の違い」です。以前、回路図記号の回で「直流・交流」という言葉だけは出てきましたが、今回はその二つが、いったい何がどう違うのかを正面から見ていきます。

難しい数式は一切使いません。見分けるカギは「電気の流れる向き」、たった一本の軸だけです。じつはこの二つの違いは、私たちの暮らしのすぐそばにあります。手元のスマホの電池と、壁のコンセント。同じ「電気」のようでいて、その流れ方はまったく別ものなんです。

この記事のねらい

最後には3問の確認テスト、おまけで 「東日本50Hz / 西日本60Hz」 の意外な歴史も用意しました。

直流 (DC) — 向きがいつも一定

まずは、直流から始めましょう。英語の「Direct Current」を縮めて、DC (ディー・シー)とも呼ばれます。

直流とは、ひとことで言えば、電流の向きや電圧のプラス・マイナスが、時間がたっても変わらず、いつも一定な流れ方のことです。流れる向きが、右なら右、ずっと同じ方向のまま、というイメージです。

たとえるなら、いつも同じ向きに流れ続ける、一方通行の川です。途中で水の勢いが多少強くなったり弱くなったりすることはあっても、流れる向きそのものは、決して逆さまにはならない。この「向きが変わらない」というのが、直流のいちばんの特徴です。

直流の波形 — 平らな線、または「向きが変わらない」変化

この様子を、横軸を時間、縦軸を符号つきの電流 (向きを含めた電流の値) にしたグラフ (波形) で見てみましょう。直流を代表する形は、横にまっすぐ伸びた線です。向きも大きさも変わらないので、平らな一本の線になります。

交流 (AC) — 向きが周期的に入れ替わる

次に、交流です。英語の「Alternating Current」を縮めて、AC (エー・シー)とも呼ばれます。

交流は、直流とはちょうど反対で、電流の向きや電圧のプラス・マイナスが、行ったり来たりと、周期的に入れ替わる流れ方のことです。右へ流れたかと思うと、次は左へ。それをリズムよく、規則正しく繰り返します。

たとえるなら、海の波です。寄せては返し、また寄せては返す。同じリズムで向きを交互に変えながら、繰り返していく。これが交流のイメージです。

交流の波形 — 揺れる波

同じ波形で見比べてみましょう。直流が平らな一本の線だったのに対して、交流を代表する形は、真ん中のゼロを境にして、上と下へ、なめらかに揺れ動く波になります。上にいるときと下にいるときで、電気の向きが入れ替わっている、というわけです。

直流はまっすぐな線、交流は揺れる波。この形のちがいを見れば、二つは一目で見分けられますね。

交流のイメージ — 豆電球が点く向き

とはいえ、波のグラフだけでは「向きが入れ替わる」というのがピンと来づらいかもしれません。そこで、もう少し身近なイメージで見てみましょう。

豆電球をつないだ、同じ回路を二つ用意します。ちがいは、電池の向きだけです。

• 左の回路: 電池のプラスとマイナスがこの向きのとき、電流は矢印のように右回りに流れて、豆電球が光る (波でいう「上にふくらんでいる時間」)
• 右の回路: 少し時間がたって、電池の向きが反対に入れ替わったかのように、電気を押し出す向きが逆転。電流も逆になって 左回り。同じ豆電球を、さっきとは反対向きに電気が流れる (波でいう「下にふくらんでいる時間」)

交流とは、この「右回り」と「左回り」をひたすら繰り返している電気のこと。そして、右回りと左回りでワンセット、これが波の一回ぶんにあたります。日本のコンセントは、地域によって1秒間に50回または60回このワンセットを繰り返しています (東西で違う、という話は後の章で詳しく扱います)。あまりに速いので、豆電球は向きが変わっていることに私たちが気づかないまま、ふつうに光って見える、というわけです。

身近な直流と交流 — 電池とコンセント

続いては、この二つが、私たちの身のまわりのどこにいるのかを見てみましょう。

確かに、電池には「プラス・マイナス」の向きがちゃんと決まっているのに対して、家庭のコンセントは交流なので、一般的な機器ではどちら向きに挿しても使えることが多い、というちがいがあります (厳密には、家庭用ACにも「接地側 (コールド) と非接地側 (ホット)」の区別があり、特定の機器ではそれを意識する必要があります)。これが、直流と交流の最も身近な「見た目のちがい」です。

ACアダプターは「交流→直流」の両替所

ここで、ちょっと不思議に思った方がいるかもしれません。

私たちが使う電子機器の多くは、中では直流を使って動いています。そこで登場するのが、ACアダプターです。スマホやノートPCの充電器が、まさにこれですね。

つまり、身のまわりは交流と直流が両方あって、こうして変換しながら使われている、というわけです。コンセント=交流、機器の中=直流。これを橋渡しするのがACアダプター。この三者関係を覚えておくと、家電の中身がぐっと見えてきます。

現場の豆知識 — 東日本50Hz、西日本60Hz

ここで、意外な豆知識を一つご紹介します。

じつは、家庭のコンセントの交流は、日本の中でも東と西で違っているんです。

ここで出てきた、波が1秒間に何回くり返すかを表す量を 「周波数」 と呼び、その単位が 「ヘルツ (Hz)」 です。メトロノームが1秒間に何回チクタク鳴るか、というイメージですね。たとえば50Hzなら、1秒間に50回、あの波をくり返している、ということです。

なぜ東西で違うのか — 明治時代の名残

これは明治時代までさかのぼります。

• 1895年頃: 東京の電力会社が ドイツ製 の発電機を輸入 → 50Hz
• 1897年頃: 大阪の電力会社が アメリカ製 の発電機を輸入 → 60Hz

それぞれがそのまま各地域に広まって、今でも残っているんです。輸入元の違いが、そのまま各地域の標準として定着した、という歴史的ないきさつなんですね。

その境目は、だいたい新潟県の糸魚川あたりから、静岡県の富士川あたりを結ぶ線。東と西で電気を融通し合うには、周波数を変換する専用の施設まで必要になります。一つの国の中で、コンセントの周波数が二種類に分かれている — これは世界的に見てもかなり珍しいことなんです。

確認テスト — 3問

確認テスト：解答

このセクションのまとめ

こうしてみると、「コンセントは交流、機器は直流、だから変換する」という一本の筋で、今日の話はぜんぶつながっています。直流と交流、二つの顔がある電気を、これからは波形のかたちと、電池やコンセントの例で思い出してみてください。

まとめ — 次回予告

今回は直流と交流という、電気を学ぶうえでいちばん最初に押さえておきたい区別をゼロから整理しました。次回は、シリーズで何度も出てくる「単位と接頭辞」に進みます。「k (キロ)」「m (ミリ)」「μ (マイクロ)」がなぜ必要なのか、どう読み書きするか、をゼロから見ていきます。

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