正弦波交流と位相について

電気には直流と交流がありますが、本項では交流電流の基本である正弦波交流と位相について説明します。

交流は電圧と電流の向きが周期的に変わる電気で、グラフにしたとき横軸を時間、縦軸を電圧・電流にすると波型になります。

図からもわかるように正弦波交流は、直流のように電圧・電流が一定の大きさではありません。
最大値・瞬時値・実効値・平均値という値で表現します。
それぞれの意味を説明しましょう。

  • 最大値:波形が最も高い時の値
  • 瞬時値:ある瞬間の電圧・電流の値
  • 実効値:直流にしたときに仕事する値
  • 平均値:波形の半周期(一山)分の平均の値

試験でも電気設備点検の現場でもこの表現を用いることは多々あるので、よく覚えておいてください。

次に、位相と位相差について説明します。

位相とは、簡単に言うと電圧の波形と電流の波形のズレといえます。電圧の位相は変わりませんが、電流が進んだり遅れたりするのです。
ある時点で、基準となる波形と他の波形の間にあるズレ位相差です。
このようなズレが起きるのは、交流回路では抵抗・コイル・コンデンサという素子があるからです。

素子によって位相差が生まれます。
抵抗の場合は位相のズレはありませんが、コイルの場合はπ/2(90°)遅れ、コンデンサの場合はπ/2(90°)進みます。
位相差については下記の図のように表すことができるでしょう。

電気分野では位相を角度θによって表し、国際単位のラジアン[rad]を用います。360°をラジアンで表すと、2πで、π=180°ということです。
これは単位なので、そのまま覚えてください。

位相差を知るにはグラフの横軸tも関係してきます。
正弦波交流の波形が0→正の最大値→負の最大値→0の1回分に係る時間(横軸)が周期T[s]といい、1秒間に同じ波形を繰り返す回数が周波数f[Hz]です。
周期と周波数の関係は下記の式の通りです。

T=1/f

そして1秒間に波形がどれだけ進んだかを計算するのに使うのが、角速度ω[rad/s]で下記の式で表します。

ω=2πf

これらの要素を使って正弦波交流の電圧・電流を求めることができます。

今回は正弦波交流と位相に関する基本的な考えと式を説明しました。
交流回路ではこの理論が基本となるので、正しく覚えて理解しましょう。



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