交流・電磁波
家庭のコンセントには交流が流れています。さらに電場と磁場が伝わる電磁波も電気・磁気の延長上にあります。
基本知識
交流 (AC): 周期的に電流の向きが変わる電流。
・日本: 東日本 50 Hz、西日本 60 Hz、電圧 100 V(実効値)
・実効値 (rms): 直流と同じ仕事をする等価な値。V_rms = V₀/√2
・ピーク値(最大値) V₀ = √2 × V_rms ≒ 141 V(家庭用100Vの場合)
電磁波: 変化する電場と磁場が互いに誘起し合いながら空間を伝わる波。
・真空中の速さ: c = 3.0 × 10⁸ m/s
・横波(電場と磁場は互いに垂直で、進行方向とも垂直)
・波長による分類(長→短): 電波 → マイクロ波 → 赤外線 → 可視光 → 紫外線 → X 線 → γ 線
・すべて同じ速さ c で伝わる(真空中)
交流 (alternating current, AC)（向きが周期的に変わる電流）
実効値 (rms)（V_rms = V₀/√2。交流の等価直流値）
電磁波（電場と磁場が互いに誘起しながら伝わる横波）
電磁スペクトル（電波からγ線まで連続した電磁波の分類）
可視光（ヒトの目で見える電磁波。波長 380 nm ～ 780 nm 程度）
光速 c（真空中の電磁波の速さ。c = 3.0 × 10⁸ m/s）
深掘り (背景・意義)
交流が直流より送電に有利な理由: 変圧器で電圧を容易に変えられるため、発電所では高電圧(数十万 V)で送電し、家庭近くで 100 V に下げます。高電圧にすると電流が小さくなり(P = VI で P 一定)、送電線でのジュール熱 I²R の損失が減ります。
電磁波の歴史: マクスウェルが1865年に電磁波の存在を理論的に予言し、ヘルツが1887年に実験で確認しました。この発見が無線通信・ラジオ・テレビ・Wi-Fi へとつながっていきます。
電磁波の利用例:
・電波: ラジオ・TV・Wi-Fi・携帯電話
・マイクロ波: 電子レンジ・レーダー
・赤外線: リモコン・暖房
・紫外線: 殺菌・日焼け
・X 線: 医療診断
・γ 線: 癌治療・放射線滅菌
- 実効値 = ピーク値/√2
- 家庭用 100 V はピーク値 ≒ 141 V
- 電磁波: 真空中 c = 3.0 × 10⁸ m/s
- 電磁波は横波
- 波長が長い順: 電波→可視光→γ線
- すべて同じ速さ(真空中)
- 交流の送電は変圧器で高電圧化が可能
注意点 (混同しやすい)
① 家庭の「100 V」は実効値。ピーク値は約 141 V。② 電磁波は縦波ではなく横波(電場と磁場が進行方向に垂直)。③ 波長の長短と振動数の高低は逆。長い波長 = 低い振動数。④ X 線も γ 線も電磁波(電子線や α 線は電磁波ではない)。
練習
- 交流のピーク値が 200 V のとき、実効値を求めなさい。
- 電磁波を波長が長い順に4つ並べなさい(電波・X線・可視光・赤外線)。
- 日本の東日本地区の交流電源の振動数(周波数)を答えなさい。