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CR · 交流電力

実効値と平均電力

交流電圧は休みなく上がり下がりするので、一つの値で呼ぶのは難しいものです。それでも韓国や中国などではコンセントの電圧を 220V と呼びます。この数が何を意味するのか、そしてこの数でなぜ直流と同じように電力を計算できるのかを、このユニットで学びます。

同じ熱を出す直流を探す

曲線は正弦波の電圧で、その上に横に引いた線が実効値です。振幅を大きくすると山は振幅まで立ち上がりますが、抵抗を温める効果で比べると、振幅より小さな一つの直流の値と同じです。その実効値が目標の 220V になるように振幅を合わせてください。

振幅 V_peakV_peak = 140 V
実効値とピーク値
V_rms = 99 V (= V_peak/√2)
220から遠い

瞬時電力は休まず揺れる

抵抗が受け取る瞬時電力は、その瞬間の電圧を二乗して抵抗で割った値、v²/R です。電圧が 0 を通るときは電力も 0 で、山では電力が最大になります。二乗なので、電圧が負のときでも電力はいつも正です。このように揺れ動く電力を一つの値で表すには、一周期にわたる平均をとらなければなりません。

二乗の平均は半分

正弦波 v = V_peak sin の二乗は山の V_peak² と 0 の間を行き来し、その一周期の平均はちょうど V_peak² の半分です。そのため平均電力は (V_peak²/2)/R になります。これを直流のように P = V_rms²/R と書きたいので V_rms² = V_peak²/2 と定義し、つまり V_rms = V_peak/√2 です。

実効値は等価直流

実効値の本当の意味は、同じ抵抗に同じ平均電力を与える直流電圧です。220V の交流が電球を温める効果は、220V の直流が温める効果とまったく同じです。コンセントを 220V と呼ぶときに指しているのも、山(約 311V)ではなくこの実効値です。実効値に直しておけば、交流の電力計算が直流と同じくらい簡単になります。

観察Vrms = Vpeak / √2
実効値は振幅を √2 で割った値です。
選ぶP = ?
実効値を使えば直流と同じように計算できます。
空欄<v²> = Vpeak² / ?
二乗の平均は半分です。
自分でVrms = ? · Vpeak
1/√2は約0.707。

最初の画面に戻ると

振幅を大きくすると、実効値の線はいつも山より √2 倍低いところでついて上がり、実効値が 220V に届いたのは山が約 311V のときでした。休みなく揺れる波形なのに、抵抗を温める能力だけで比べれば 220V の直流一つとまったく同じでした。実効値という一つの数で揺れを直流に置き換えておけば、交流の電力を簡単に扱えます。

実効値(RMS)は、正弦波を同じ平均電力を出す直流に置き換えた値で、Vrms = Vpeak/√2 ≈ 0.707 Vpeak です。瞬時電力 v²/R を一周期にわたって平均したものが平均電力で、二乗の平均が Vpeak²/2 なので P = Vrms²/R と直流のように計算できます。コンセントの 220V は、山ではなくこの実効値を指しています。