力率について何となくのイメージ(例え話多め)

今日も過去問をやりました。
平成23年下期の問題で、結果は28分で92点でした。
もうしっかりと考えることもなく、何となくのイメージで進めてしまっています。
もちろん、複線図とか計算問題とかのしっかり考えれば100%正解を導き出せるものについては、しっかり考えています。

その中の問4で力率が出てきて、よく分からなかったので改めて力率について考えてみます。
勝手なイメージなので間違いがあるかもしれません。
最初は分かりにくい話になるかもしれないので、適当に流し読みするか飛ばすかしてください。

抵抗とコイルの話

交流電源と抵抗だけの回路だと、電源から供給される電力は全て抵抗で消費されます。

交流電源とコイルだけの回路だと、電源から供給される電力は全てコイルで消費され・・・ません。
全てでないそれどころか、全く消費されません。
じゃあ抵抗ゼロの電流無限大になるかというと、そんなことはありません。

コイルに電流を流すと磁界が発生します。
この磁界がスパーンと立ち上がるのではなくて、よっこらしょと重い物を動かすように立ち上がります。
この磁界が重たいやつで、ゼロから発生しようとすれば「やだやだ発生したくないよぅ」と電流を流させないようにしようとするし、逆向きに電流を流して磁界を消そうとすれば「やだやだ消えたくないよぅ」と逆向きの電流を流させないようにします。
電源は交流なので、この磁界の反抗が延々と続きます。
この磁界の反抗が抵抗みたいな働きをして、そこに電圧が発生します。
なので、コイルだけと言っても電流が無限大になることはありません。

もし電源が直流であれば、理論上はしばらく時間が経った後は抵抗ゼロの電流無限大になります。
実際はコイルを構成する電線にも抵抗はあるので、電流が無限大になることはありません。

電圧をかけたら磁界の反抗に逆らいながら流れ始めるので、それでコイルの電流の位相は電圧よりも遅れるというわけです。

エネルギー的に見てみると、電流を流し始めると電流から磁界にエネルギーが移動しています。
そして電流を止めようとすると、今度は磁界から電流にエネルギーが移動します。
電流と磁界の間をエネルギーが行ったり来たりしているだけで、本当に消費されるエネルギーはゼロです。

ちなみに抵抗をエネルギー的に見てみると、電流が流れると抵抗で熱が発生します。
その熱は、暖房になったりものを温めるのに使われたりして、最後は宇宙まで行ってしまいます。
ということで、しっかり電力として消費されるわけです。

抵抗とコイルを直列に繋いだ回路において、電源から供給されるエネルギーに対して抵抗でしっかりと消費される分は何%になりますか?というのが力率だとぼくは理解しています。
ちなみに抵抗だけの回路だと力率は1(=100%)で、コイルだけの回路だと力率はゼロです。

コンデンサの話

ここで、もう一つついでの話です。
交流電源とコンデンサだけの回路になった場合です。

コンデンサとは、2枚のだだっ広い面状の電極がお互いにすれすれの所で近づいているものです。
回路図でのコンデンサの記号がそのままの形を表しています。
実際は、電極間に絶縁性のものを挟み込んで電極が接触しないようにしています。

回路図とコンデンサのイメージはこんな感じです。
SN3V0884

さてこの回路に電流を流すとどうなるか。
コンデンサの電極の片方にはプラスの電荷が貯まって、もう片方にはマイナスの電荷が溜まっていきます。
そして、プラスとマイナスはお互いに引き合うので、プラス極とマイナス極両方ともますますたくさんの電荷が溜まっていきます。

例え話をすると、片一方の電極には男性が溜まっていって、もう片方の電極には女性が溜まっていきます。
あ、ここでの男性と女性は理性を取っ払って、極めて本能的な動きをさせましょう。
手を伸ばせばお互いを触れるぐらいの距離に男性と女性がいるわけです。
そうしたら、後ろからもっともっとと人が押し寄せてきます。
まだ電極までたどり着いていない奴らも、噂を聞きつけたら猛ダッシュして我先にと電極に集まるわけです。

電源が電流を送り出そうとしてかけた電圧よりも先に電流が走りだしてしまうわけです。
その結果どうなるかというと、電圧の位相よりも電流の位相が進みます。

ただしお互いに接続されてはいないので、同じ向きに電圧をかけていてもいつかは電極が電荷でいっぱいになって電流も止まってしまいます。
ところがここでの電源は交流なので、最初に電流が流れているうちに逆向きの電圧をかけて逆向きの電流になるというのを延々と繰り返すので、接続はされていなくても電流は流れ続けるというわけです。

力率について

この、電流の位相が電圧よりも進むというのが重要で、抵抗とコイルの回路にコンデンサを追加すると、コイルで遅れた電流をコンデンサが進めるような形になり、結果お互いが打ち消し合って電流の位相が遅れも進みもない状態になります。
結果、力率が高くなるというわけです。
この部分の説明については、本当に何となくのイメージなのでかなりあやふやだと思います。

さて、ここでまた例え話をします。

あなたは電源です。
そして、業績を順調に伸ばしている抵抗株式会社と、特に上がりも下がりもしないコイル株式会社とコンデンサ株式会社があります。
あなたは、株式投資でも始めてみようかと思います。
儲けようと思ったら、抵抗株式会社を全力買いしたいです。
ところが力率が低いと、抵抗株のセールスマンと一緒にコイル株のセールスマンも押し寄せてきます。
力率が低ければ低いほど、コイル株のセールスマンが大勢でやってきます。
結局、抵抗株と一緒にコイル株も買わされる羽目になりました。

さてそれから時間が経ち、株を売ろうとします。
抵抗株を売って大儲け・・・と言いたいところですが、上がりも下がりもしないコイル株も持っているので、大した儲けにはなりませんでした。

あなた
は、また株を買おうとします。
今度はそこに、コンデンサ株のセールスマンもやってきます。
このコンデンサ株のセールスマンはコイル株と非常に仲が悪く、コイル株を売らせないようにセールスマンを阻止しようとします。
そして、そのすきに抵抗株を全力買いすることができました。

また時間が経ち、株を売ります。
今度は抵抗株だけなので、大儲けできました。

めでたしめでたし。

ちなみにですが、コイル株のセールスマンを上回るコンデンサ株のセールスマンを投入すると、今度はコンデンサ株を買わされることになります。
さてあなたは、どうすれば抵抗株をたくさん買えるか考えるわけです。

一番簡単なのは回路を抵抗のみにしてしまうことです。
ところがそれだと、電気を熱に変えることしかできません。
例えばモーターなどの動力を得たければ、どうしてもコイルを追加するしかないんですね。

ということで答えはもう分かる通り、コイル株とコンデンサ株のセールスマンを同等に投入すればいいわけです。
コイル株とコンデンサ株のセールスマンのバランスが取れた状態が力率1で、どちらかが多くなってくると力率が下がります。

実際に電気回路の中で株の売買なんてやっているわけないです。
なんて言わなくても分かると思いますが。
でも、イメージとしてはこんな感じだと思います。

持っているエネルギーはできるだけ抵抗につぎ込みたいわけです。
そのエネルギーをちょっと拝借とばかりに持って行こうとするコイルをコンデンサが止めているというわけですね。

できるだけ理論的な話はなしにして説明してみましたが、分かって頂けたでしょうか。

ちなみに、以上を踏まえて問4を考えてみましたが、やっぱりよく分かりませんでした。
1問落とした所で全体への影響はほぼないに等しいのですが、興味があったらまた考えてみようと思います。

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