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更新2022/05/04

受動素子と交流

直流に対して、最終的に抵抗器の抵抗値は変化せず、コイルの抵抗値はゼロ、コンデンサの抵抗値は無限大になります。
では、交流電圧が印加されると、どうなるでしょう?

コイルは、交流の周波数が高くなると抵抗値が大きくなる性質があり、コンデンサは周波数が高くなると抵抗値が小さくなる性質と、互いに反対の性質を持っています。

1.交流における電圧と電流の位相

受動素子である抵抗器・コイル・コンデンサの交流に対する性質を知る上で、電圧と電流の大きさ以外の重要な項目として電圧と電流の位相差があります。

上図は交流の最も代表的な正弦波(サイン波)の電圧と電流波形です。
構成する回路によっては、電圧と電流の波形にずれ発生する場合があります。
このずれを、電圧と電流に「位相差」があると言います。
上図の場合は電圧に対して電流が時間的に遅れているので、電流の「位相が遅れている」と言います。

全ての交流電圧や電流は正弦波です。
もちろん、交流には方形波や三角波などもありますが、それらは色々な正弦波の組み合わせでできています。
つまり、正弦波は電気信号や電力の基本形ともいえます。
正弦波は、その変化を一定間隔(1周期)で繰り返します。
そして、正弦波は、数学的に円の角度(「度」もしくは「ラジアン(π)」)で、その位置を表現することができます。
その角度で表した位置を、位相と言います。

2.周波数と電流の大きさ


交流電圧の周波数を変えていくと上記のようになります。
抵抗器は周波数が変化しても電流値が変化しませんが、周波数が大きくなるとコイルは電流が減少し、コンデンサは増加します。

3.電圧と電流の位相

電圧と電流の位相差の関係が、抵抗、コイル、コンデンサでは異なります。

(a)の抵抗器では、電圧と電流の位相は同じで位相差は発生しません。
(b)のコイルでは、電圧の位相に対して電流の位相が +90度(90度遅い)。
(c)のコンデンサでは、電圧の位相に対して電流の位相が -90度(90度進む)。

ここにきて、わけわからないと頭がパンクしそうになっている方は、適当に聞き流す程度にしましょう。
電流と電圧の位相だの、周波数で違うだのと、電子工作初心者の方には理解の範疇を飛び越えているかもしれません。
位相や周波数もそうですが、実際に電圧や電流を測定したことのない方には、机上の理論や説明だけではわかりにくいものです。
電子工作に興味のある方は、できる限り部品を手に入れて実際に測定してみることをおすすめします。
言葉で100時間説明するより、実際に経験すると一度で納得できます。

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電子回路とファームウェア専門の元エンジニアが、初心者の頃の疑問や勉強・経験で知った「そうだったのか」を2009年から書いています。 ⇒続き

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