AC または DC: どちらが優れていますか?

伝説によると、ロックバンドAC/DCは、ヤング兄弟の家にあった古いミシンのラベルにちなんで名付けられたそうです。これは、そのミシンが交流でも直流でも動くことを意味していたのでしょう。今日では、家庭にある最新の電子機器はすべて直流電源でのみ動作します。白熱電球がLEDに置き換えられた今、照明器具でさえも直流電源で動作します。

でもちょっと待ってください。壁のコンセントから出てくる電気は交流です。つまり、各機器は交流電力を直流電力に変換し、さらにデジタル回路で使用されるはるかに低い電圧まで下げる必要があります。それでは、家に直流コンセントを設置した方が合理的ではないでしょうか？

素晴らしい質問ですね。実は、電化の黎明期に大きな議論を巻き起こした質問でもあります。トーマス・エジソンは直流回路を好みましたが、ニコラ・テスラは交流回路こそが最善だと考えていました。この議論は明らかにテスラが勝利しました。では、その理由を見てみましょう！

電気とは何ですか?

電気とは、金属線などの導体を流れる電子の流れです。電力網は、電流が流れる河川や小川のシステムと考えることができます。河川では、高低差によって水が下流に流れますが、送電線では、電流を駆動する力は電圧、つまり回路内の2点間の位置エネルギーの差です。

このアナロジーは直流電流には当てはまります。しかし、ほとんどの送電網では交流電圧で電力が送電されています。つまり、正極と負極が交互に反転し、電子は連続した流れとして移動するのではなく、前後に揺れ動き続けることになります。

ご想像のとおり、交流は扱いが複雑になります。エジソンの言う通り、直流ははるかにシンプルです。実際、誰でも直流回路を作ることができます。必要なのは電池と、正極と負極をつなぐ電線だけです。自分で電池を作ることもできます。亜鉛と銅など、2種類の金属を用意し、ジャガイモの両端に差し込むだけです。ジャガイモの汁に含まれる酸が2種類の金属と異なる反応を起こし、小さなLEDを点灯させるのに十分な微弱な電圧を発生させます。直流は簡単です。

直流トースター

例えば、DCトースターを作りたいとしましょう。トースターは基本的に箱型で、中に電線が入っていて、電流が流れると熱くなります。このトースターに必要な電力は1,000ワットだとしましょう。電力って何ですか？これはエネルギー（E ）の時間（ t ）に対する割合です。つまり、1秒間に1ジュールのエネルギーを電線に流すと、1ワットの電力（P）になります。

特に電力については、電流 ( I ) と電圧 ( V ) の積として計算できます。

これを使って、簡単なトースターの回路図を描くことができます。

トースター内部のニクロム線は良導体ではありません。電流の流れを妨げ、線が熱くなります。つまり、これは基本的に電気エネルギーを熱エネルギーに変換する装置です。上の図で、 Rは抵抗値を表し、単位はオームです。

例えば、DC電源の電圧が10ボルトだとします。これを使って、トーストをこんがりと焼くために必要な抵抗値を求めることができます。抵抗器の電流（I）と電圧（V）の間にはオームの法則と呼ばれる関係があり、これに基づいて電力を表す式は次のようになります。

10ボルトで1,000ワットの電力を得るには、0.1オーム（ごくわずか）の抵抗が必要です。しかし、ちょっと待ってください。回路に抵抗を生み出すのは、内部の発熱体だけではありません。壁に差し込む電源コードにも抵抗があります。コード内の銅線は良導体ですが、コード自体の長さによって抵抗が増加します。

分かりやすくするために、電源コードにも0.1オームの抵抗があると仮定すると、回路全体の抵抗は0.2オームになります。つまり、電流は少なくなり、トースターに供給される電力はわずか250ワットになります。それでは、トーストは焼き上がりません。

これを解決するには、電源の電圧を上げる必要があります。100ボルトまで上げてみましょう。そうすれば、トースターの抵抗値は10オームになるので、0.1オームの電源コードはそれほど問題になりません。まあ、家庭にある3フィート（約90センチ）の電源コードなら問題ありません。しかし、発電所から町までの送電線はどうでしょうか？送電線は100キロメートルを超えることもあります。

電線が長くなると抵抗が大きくなり、電線が熱くなり、エネルギーが無駄になります。ここでも解決策は、より高い電圧源を使うことです。P = IVを覚えていますか？つまり、非常に高い電圧と非常に低い電流で同じ電力を供給できるということです。

はい、一つの問題を解決しても、別の問題が生まれてしまいます。例えば、壁のコンセントが10,000ボルトの直流だとします。でも、携帯電話を充電したいのですが、5ボルトの直流が必要です。どうすればいいでしょうか？実は、解決方法はあります。携帯電話と直列に大きな抵抗器を接続すれば、電気エネルギーを熱に変換できます。しかし、繰り返しますが、これはエネルギーを無駄にしているだけです。

交流トースター

では、交流に切り替えるとどうなるでしょうか？交流回路は正極と負極を交互に入れ替えることで作られるため、電圧は正と負の方向に交互に変化します（つまり、電子の流れの方向が変わります）。以下は、2種類の電流における電圧と時間の関数をプロットしたものです。

DC電源は一定の電圧なので、上の図の青い線はそれが平坦な線です。AC電源（赤）は+10ボルトと-10ボルトの間で電圧が変動し、実際には電圧がゼロになることもあります。この架空の例では、0.5秒間に電圧が8回切り替わることがわかります。実際の家庭用AC電源は電圧によって変動しますが、米国では平均して約120ボルト（プラスマイナス）、周波数は60ヘルツです。

トースターを60HzのACコンセントに差し込めば、問題なく動作します。電線を熱くするだけで動作するので、直流電流でも交流電流でも問題ありません。どちらにしても熱くなります。白熱電球も同様です。実際、白熱電球とトースターの違いはそれほど大きくありません。ただ、電球の中の細いタングステン電線が非常に高温（最大4,500度）になり、発光するだけです。

AC電源はより効率的

交流でも、長い送電線では同じ問題が残ります。活線によるエネルギー損失を抑えるには、高電圧と低電流が必要です。しかし、交流には大きな利点があります。高電圧を低電圧に変換するのが簡単なのです。これは、電流の振動性とファラデーの電磁誘導の法則によって可能になるのです。

ファラデーの法則によれば、電線ループ内の磁場の強さを変えると電流が発生します。下のクリップでは、強力な磁石を電線コイルに差し込んだり引き抜いたりすると、電流レベル（アンペアで測定）が急上昇する様子がわかります。

磁石を使わずに、電線を2つコイル状にすれば、同じ動作をすることも可能です。下の動画では、小さなコイン電池を一次コイルに接続したり、取り外したりしています。（コイルは見えませんが、手前の小さな灰色の箱の中にあります。）

二次コイルは電源に接続されていません。しかし、一次コイルの変化する電流が変化する磁場を作り出し、それが二次コイルに電流を誘導します。この小さな電池でも、大きな誘導電流が発生していることがわかります。見てみましょう。

しかし、それだけではありません！各コイルのループ数の比率を変えることで、2次コイルに誘起される電圧を変えることができます。誘起コイルのループ数が100で、1次コイルのループ数が1,000の場合、誘起電圧は100/1,000、つまり入力の0.1倍になります。これを逆にすると、入力の10倍の出力電圧が得られます。

これを変圧器と呼びます（電圧を変換するからです）。かなり大きなものです。小型の変圧器の内部はこんな感じです。

これは、あらゆる機器が壁のコンセントに差し込む際に使う「パワーブリック」の一種です。2つのコイルが並んでおり、右側のコイルの方が左側のコイルよりも「巻き数」が多いのがわかります。つまり、120ボルトの交流入力の場合、出力は低くなります（この場合は12ボルトです）。この中には、低電圧の交流を直流出力に変換する別の部品があり、これを電圧整流器と呼びます。

念のためお伝えしますが、交流変圧器を直流回路に使うことはできません。直流入力を交流に変換し、さらに変圧することは技術的には可能です。しかし、各家庭に交流電力を供給できるのであれば、なぜわざわざ余計な手間をかける必要があるのでしょうか？まさにそれが私たちの仕事です。あの巨大な高圧送電線は、超高圧交流回路です。

仕組みはこうです。化石燃料や水力発電などで稼働する発電所があります。これを交流出力に変換し、電圧を10万ボルトといった途方もない高さまで上げます。こうすることで、長い送電線でも非常に低い電流で送電できるため、電力損失がほとんどなくなります。

送電線が町に到着すると、変電所に入ります。これは基本的に、交流電圧を扱いやすい10,000ボルトなどの電圧に下げる巨大な変圧器です。最終的に、電流はさらに別の変圧器を通過し、240ボルトの交流電圧に変換され、家庭に供給されます。衣類乾燥機などの大型家電は240ボルトを全て使用しますが、コンセントでは240ボルトを半分にカットして120ボルトに調整されます。

しかし、DC電源ではこれら全ては不可能です。実用的ではありません。AC電源が最高です！