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文系人間のための電子工学 その4 [電気の話]

交流のイメージがおぼろげに浮かんだと思います。

では、鉄道模型のレールにはどのように流れるのでしょうか?

ソネットから警告メールが来そうなので、真面目に書こうと思っています。(思ってるだけです)

直公運転2.jpg

直流運転と交流運転を上から見た図です。

左図の直流運転は大方の方がやられてる、パワーパックを使った運転です。

直流の電源で直流モーターを回して走らせますね。

右図は、交流電源を使った交流モーターを使った運転です。

説明には不要ですので、ACモーターの線が2本にしました。

注)どちらもモーターから先のレールには電流は流れていません。(流れる準備が出来ている状態です)

電流は回路でないと流れませんので回路図で説明します。

まずは直流から。

直流回路.jpg

(説明にモーターも必要ないので削除しました。)

直流は簡単ですね。

電源のプラスから流れ出て、電源のマイナスに戻り、これをぐるぐる回り続けています。

電流が自由電子の移動であることを発見されるまで、電流はプラスの電荷の流れという説が通説になっていました。

自由電子がマイナスからプラスに移動することが電流の向きと解っても、今更変えても世を混乱させるだけと判断して、「電流はプラスからマイナスだけど、ほんとはね?マイナスからプラスなんだよ」と、なっています。

電子の流れ直流.jpg

(自由電子の流れを解りやすくすために尻尾を加えましたが、他意はありません。)

配線に使われる銅線(導線)の内部の様子です。

自由電子は空洞の中を流れるなら高速で泳げる移動出来るのですが、銅線は固体で中に原子がぎゅう詰めの状態なのです。

その僅かな隙間をかいくぐって自由電子は何かに向かって必死に泳いで行くのです移動して行くのです。(生命の神秘)

その移動速度は秒速2mm程度の遅さです。(ものの本によると)

原子も多けりゃ自由電子だって数では負けていません。

数億個いやもっとか分かりませんが、1個1個が一斉に同じ方向流れるので電流が流れているイメージは出来ると思います。

注意)自由電子が流れるというより、マイナスの性質を持った自由電子がプラス極に吸い寄せられる動きです。

さて、皆さまお待ちかねの交流電流の流れ方の説明に入ります。(想像どうりの展開が待ってますよ)

交流電流の流れ1.jpg

交流では自由電子が左に行ったり、右に行ったりを繰り返します。

それも、東日本では1秒間に50回、西日本では60回も繰り返されます。

あたかも銅線内部では自由電子がピストン運動を繰り返しているのです。

これでは電流がどっちに流れるのか凡人には分りませんね。

そこで、前回登場していただいた「電力嬢」さんに手を貸していただきます。

右手の法則.jpg

うぉ~!!これなら電流の流れるイメージがバッチリ想像できますね。

「交流電源のHot側に繋がれた、風俗電力嬢さんの右手の人差し指の方向に電流は流れる」

これを、「電力嬢右手の法則」と言います。

左手の法則.jpg

左手に交流電源のHot側を繋げば、左手の人差し指の方向に電流は流れることになります。

これを「電力嬢左手の法則」と言います。

交流電源の「Hot」側から「Cold」に電流は流れるということです。(電力から見たら)

いかがでしたか?電流の流れる様子が頭の脳裏に刻まれたことでしょう。(違うイメージも浮かんでしまったことでしょう)

以上で電流の流れるお話は終わります。

注)これらのイメージはあくまで親爺ぃの思い描いた考えで、本当はまるっきり違うのかもしれません。
ご自分で調べてご自分なりに想像するのもいいと思います。

なんだか、こんなことばかり書いてると親爺ぃのイメージは、

ke-si-.jpg

この方とイメージが重なると思っている方が多いと思いますが、そのとおりです。

「グラッチェ」


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文系人間のための電子工学 その3 [電気の話]

交流くんの走行データはご理解いただけたでしょうか?

それでは、交流くんと直流くんの走ったグラフを見比べてみます。

直公2.jpg

実を言いますと、ある方から見ると、2つのグラフは同じように見えるのです。

切りのいい交流くんの1サイクル(B点)を、直流くんのグラフ(A点)に当てはめます。

これでなにが同じと言うのでしょうか?

直流くんがA点に到着する時間と、交流くんがB点に到着する時間は全く同じ、水平移動距離も同じです。

直流くんは初めから5Vを延々走っていますが、交流くんは半分は5Vに届いているのに、もう半分はマイナス5Vまで落ち込んでいます。

ですが、直流くんがA点に到着する時間と交流君がB点に到着する時間は同じです、不思議ですね?

交流くんは、出発前に景気づけにビールを飲んでから走りだしていたので、直流くんより速く走ったのでしょうか?

電流の流れる速さは直流でも交流でも同じなのに変ですね?

そこで、テクニシャン「電力嬢」のお手をお借りいたしましょう。

「は~ぁい、電力よ~ん。私のテクに掛かったら、どんな眠れる獅子も起こしてあげるわよ~~ん」(お願いしたい)

電力(でんりょく、: electric power)とは、単位時間電流がする仕事(量)のことである。

信用の置けないウィキペディアにこう書いてあります。

ある決められた時間内に、流れた電流に電圧を掛けた値が電力です。

電流の波形は、電圧と似通った波形になります。

直流電力.jpg

仮にA点まで2A流れたとして、

(+5V) X (+2A )=10W

直流くんの電力は10Wになります。

交流電力1.jpg
(簡易計算してます)

交流くんの電力の求め方は、プラス側とマイナス側を別々に求めます。

仮にB点まで2A流れたとして、プラス側は、(+5V)X (+2A)=10W

マイナス側は電圧がマイナスなので電流もマイナスになります。

(-5V) X (-2A)=10W

ん?マイナス側も10Wなの?

負の数に負の数を掛けると、正の数になることぐらいは、文系人間でも解るでしょう。

すると、電力嬢から見えるグラフは、

交流電力2.jpg

「立ったわ!」(*⌒∇⌒*)テヘ♪

5Vまで、立派にお立ちになりました。

このグラフに似たグラフがあります。

整流.png

このグラフとそっくりですね。

これは交流を整流して直流にしたグラフなんです。

やっと、交流の正体が現れましたね。

電力嬢さんからから見れば、交流くんも直流くんと同じように+5Vラインを走っているのです。
(交流くんは最初からギンギンだったのです)

交流はプラスとマイナスが高速で切り替わっています。

直流では+極・-極と言いますが。

交流では、電気が流れてくる方を「Hot」、電気が流れ出る方を「Cold」と言います。

だって、交流くんはスタートではビールを飲んだばかりだから「Hot」、走って行くうちに酔いも醒めてきて「Cold」になるのですよ。(笑)

注意)勘違いしては困りますが、直流の「プラス」と交流の「Hot」は異質のものです。
直流のプラスは純正のプラスのみですが、交流の「Hot」はプラスとマイナスの成分が入り混じっています。

いかがでしたか、少し交流のイメージが浮かべたでしょうか?

そして、電気を少し好きになりましたか?

次回は、レールに直流と交流が流れる様子を書いてみます。

それより、中途半端で終わってる信号機制御は、どうすんだって。(-_-;)

<あとがき>
本来なら交流には「最大値」「平均値」「実効値」、電力には「皮相電力」「有効電力」「無効電力」と、あります。
文系人間が交流回路を設計するわけないので、今回はすべて排除しています。
ちなみに、交流・実効値5Vの最大値は7.07Vです。
興味があったらご自分でネットでもお調べください。

最後に、この記事を書く切っ掛けを作ってくれた「nardi」さん、交流嫌いの親爺ぃをスパルタ教育してくれた「sin」さんに、スペシャル・サンキューを贈ります。(電力嬢のほうが良かったかな?)(爆)


タグ:DCC
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文系人間のための電子工学 その2の補足 [電気の話]

交流波形1.jpg

ここまでの話、交流を少しでもお勉強した方はすべて理解出来ていると思います。

まったくお勉強をしていない方のために、ちょっと補足をしておきます。

交流波形のグラフから、交流くんの走るスピードをどうやって求めたか疑問に思われたと思います。

グラフには「時間t」としか書かれていませんからね。

このグラフを読むには、日本の発電の歴史を知っている必要があります。

時代を、親爺ぃが青っぱなを垂らしていたご幼少のころの、明治時代にタイムスリップします。(そんな歳かよ)

その日、東京電燈(東京電力の前身)会議室では、のちに日本を2分することとなる歴史的な会議が行われていた。

会議室が重苦しい空気に包まれる中、テーブルを囲む出席者の前には、2基の交流発電機が持ち込まれてきた。(意外と小さいのね)

実はこの会社、すでに日本で初めて直流発電機による送電を行っていたのだが、これを決めるのに社内は直流送電推進派と交流送電推進派に分かれ、すったもんだやった経緯があった。

日本を2分する前に、社内はすでに2分されていたのである。(-_-;)

いざ直流送電を始めたわけだが、最近いろいろと問題が持ち上がってきたのである。

最初に口火を切ったのは、交流送電推進派の交流部長であった。

公「だから言ったじゃないか!直流送電なんかしたらこの問題は必ず出るって前に言ったじゃないか!」

直流送電推進派の直流部長が口を開く。

直「まま、コウちゃん、そう熱くならないでよ?」

公「熱いんだよ!銀座のアーク灯に送っている電線が熱いって「お客様相談室」に電話がひっきりなしに掛かってきてんだよ」

直「冬は暖かそうだよね?」

公「ふざけたこと言ってんじゃないよ。ナオちゃんが直流送電に決めたんだろう?」

実はこの二人、幼稚園から大学、そして会社までずっと同じ道を歩んできた幼馴染であった。

直「そうだけどさ~、エジソンさんが直流発電はいいぞ!いいぞ!って言ってたじゃん」

公「ナオちゃんは考えが古いんだよ!交流発電を勧めていたテスラさんのほうが進んでいたんだよ」

直「テスラさんなんて、元々はエジソンさんとこの会社の技術者だったじゃん」

直「会社の直流の仕事そっちのけで、こっそり交流の研究ばかりしてた人じゃん」

公「人の好き好きで、送電を決めたのかい!そんなんじゃ日本の未来もあったもんじゃないな」

公「最近、夜の銀座に行ったことあるか?」

直「よく行くけど、最近ずいぶん明るくなったな」

公「送電線が熱くなっただけじゃなく、真っ赤っかになって明るくなってんだよ」

直「あ~あれか!ネオンだとばかり思っていたよ!」(爆)

公「とにかくこのまま直流送電をやって行くわけにはいかないからな」

直「交流送電かよ。交流は苦手だな。」

公「勉強しなかった、お前が悪い!」

直「で、なんでここに2基の交流発電機があるんだ?」

公「こっちは、発電周波数50Hz、ドイツ・AEG製発電機 (AC 3kV 265kVA)で、こっちは関西電燈(関西電力の前身)が採用を決めた発電周波数60Hz、アメリカ・GE製発電機 (AC 2.3kV 150kW)だ」

直「どっちがいいんだ?」

公「直流発電機でアメリカは懲りたから、今度はドイツがいいと思う」

直「でも、関西が60Hzなら、こっちも合わせたほうがいいんじゃないか?」

公「いや!関西が60Hzだからあえて50Hzを選んだ方がいい」

直「真似したと思われるのもシャクだし、関西の奴らのエリア食ってやるか!」

公「それに交流の苦手なおまえにも50Hzのほうが計算が少しは楽だろう」

直「なんだかんだ言っても、コウちゃんは優しいねぇ」

な~んて会話があったかは知りませんが、日本の発電所からおよそ、富士川(静岡県)と糸魚川(新潟県)を境に東側は50回(50Hz=ヘルツ)、西側が60回(60Hz=ヘルツ)と2分されたのです。

交流って、くねくねした波ですね。

東電が発電した交流の電気は、1秒間に50回(サイクル)も極性が変化しているのです。

グラフはその2.5 回(サイクル)の図なので、50を2.5で割って20、1秒の1/20だから0.05秒ってなります。

交流波形2.jpg

前回の「交流くん」の走行グラフはこうなります。


タグ:DCC
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文系人間のための電子工学 その2 [電気の話]

DCCを取り上げるとアクセス数が伸びますね。

アナログ(DC)運転を楽しんでいても、DCC運転は興味がありますよね。

この動画はDCCのレールの交流電圧を図っています。

テスターをACVレンジで測定できるということは、DCCでは交流がレールに流れている証拠となります。

もし直流が流れていたら、テスターACVレンジはエラーを起こすからです。

fg2_2_2.jpg

さて、前回の続きです。

(B)の交流電圧のグラフはオシロスコープで測った交流電圧の正弦波形(サイン波)です。

周期Tの区間の電圧の変化を見てください。

まるで山登りです。

注)山頂の標高を5Vとします。

トレランが趣味の東日本に住む交流くんは、山の中腹にある登山口(0V)を登って行き山頂(5V)に到着します。

交流くんはトレランなので、山頂でゆっくり昼食なんてことはしません。

さっさと今度は山の反対斜面を、途中の登山口と同じ標高点(0V)通過、さらに峠に向かって駆け下って行きます。(ー5V)

峠の茶屋はお休みだったので休憩も取らず、次の山の登山口と同じ標高まで走ります。(0V)

交流くんは、このパターンを1サイクルと言っています。

交流くんはタフな男です。(あっちも)

これだけでは運動した気がしません。(夜がギラギラしちゃって眠れません)

交流くんはさらに先の山に駆け上って行くのでした・・・・・

交流君はこの走りを延々とやるのです。(なんせタフネスボーイなのです)

平地の道路を走っているストリートランナーの直流くんとは違うのです。

(b)交流のグラフは、交流くんの2.5サイクルの標高移動を表したグラフですね。

驚いたことに、交流君はタフなだけではなく、足も速いのです。(あっちはもっと)

この2.5サイクル走りをわずか1/20秒(0.05秒)で走ってしまいます。

それも1秒間に50サイクル(Hz)もやってのけてしまいます。

ここまでのお話で交流とはどういものかお分かりになったと思います。(なるもんか)

文系の親爺ぃが難解な理系のお話をやさしく解説しました。

その3に続く


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文系人間のための電子工学 その1 [電気の話]

今日から始まる新シリーズ、「文系人間のための電子工学」のお話の始まりです。

鉄道模型をやる上で、これだけは理解して欲しい理系の電子工学のお勉強を、文系人間親爺ぃが、電気の嫌いな文系人間に「例え=エロ話」を駆使してやさしく、ゆる~く解説していくシリーズです。

DC(パワーパック)運転から、DCC運転までを予定しております。

電気の話が苦手な文系人間向けに、公式を極力さけて解説しますので、安心して最後までお付き合いください。

なぜこんな記事を書きたくなったかというと、親爺ぃの最近のブログ記事の中で飛び抜けて閲覧数が多い記事があります。

1.PECO製ポイントの最新情報

2.DCC最新(?)トレンド事情

3.文系人間のための電子工学 その1 (アップ後、今改訂中なんです)

このことから、親爺ぃのブログを見にきてくれる方々は、現在は道床付きレールで遊んでいるが、内心はPECO製のレールを使った実感的なレイアウトを、DCCでやってみたなと思っている方々なのではないかと思いました。

ポン付の道床付きレールでは電気知識は無くても遊べますが、PECO製を使うとなるとそれなり電気知識は必要になります。

注)電気知識が全くない方でも実際にDCCをやられてる方がいますが、ちゃんと知識を吸収してやっています。

しかし、文系人間にとって電気は天敵以外何物でもありません。

そこでなんとか電気の話を別な話に置き換えて出来ないかと考えました。

適当男の親爺ぃのことですから、間違いや勘違いがあるかと思いますが、見えない電気のイメージを感じ取っていただければ幸いです。

*このシリーズを書くにあたって「Nardi Mindscape -ほぼ趣味の記録-」のnardiさんには、無理やり検証実験に協力していただいたことを感謝いたします。(結構、喜んでやってたみたい)

Z21_Startseitenslider_Keyvisual_allgemein_slide.jpg

「は~い、nardiよ。親爺ぃったら無理やり私を・・・・・」(*^^*)ポッ

始まりです。

日本でのDCCというと、「KATO」さんが代理店のような形で控えめにやっておられます。

「KATO」さんのHPのDCCのQ&Aコーナーの中にこんな記載があります。

************************
Q.DCCって、DC(直流)コントロールなのですか?

A.DCCは、AC(交流)です。
************************

この記載を読んであなたはどう感じましたか?

1.「そうなのね。」と素直に思われた方は、「バリバリの文系人間」です。

2.「あれ?DCじゃないの?」と思われた方は、「普通の文系人間」です。

3.「えっ??ACで鉄道模型車両が動くのか????」と思われた方は、「文理系人間」です。

4.「あたりまえだろ!それだから2列車同時運転ができるのさ。」と思われた方は、りっぱな「理系人間」ですので、これから先は読まないで退場されてください。

DCC(交流(AC)運転)を理解してもらうには、DC(直流)運転をしっかり理解している前提があります。(通常のパワーパックを使った運転です)

電気とか電子回路の入門書をご覧になった方はご存知でしょうが、決まって「DC(直流」の話が出た後に「交流(AC)」の話が出てきます。

直流と交流は無関係ではありません、少しは交流があるのです。(洒落です)

DC(直流)運転をあいまいに理解していると、このシリーズは最後まで理解出来ませんのでしっかり読んでくださいね。

Nゲージの動力車には、「DC(直流)モーター」が使われています。
(親爺ぃが知らないだけで、例外があるかもしれません)

マブチモーター.jpg

子供のころよく遊んだマブチモーターもDCモーターですね。

赤に電池のプラス、青に電池のマイナスを繋ぐと回転します。

青に電池のプラス、赤に電池のマイナスを繋ぐと逆回転します。

水中モーター.jpg

そう言えば、こんな水中モーターもありましたね。

吸盤をお腹に貼り付けて、泳いで利根川を横断出来るのではないかと、子供のころ真剣に考えたことがあります。(笑)

話が脱線しましたが、DCモーターの利点としてスピード調整を電圧で調整することが楽な点です。

電圧を上げるほどモーターの回転数が上がり車両のスピードもアップします。

ACモーターでは電圧を上げても変わりません。

周波数というものを変えないとACモーターの回転数は変わらないのです。

モーター図2.jpg

DC方式では、車両の進行方向に向かって右側のレールにプラス、左側のレールにマイナス(GND)の電圧可変直流電源(パワーパック)を繋げ、車輪を通して内部のモーターへ給電されます。(国際的に決まっているそうです)

後進する時は、パワーパックの方向切り替えスイッチを後進にすると、パワーパック内部で極性反転されて、右のレールにマイナス(GND)左のレールにプラスになるように切り替えられます。

モーター車はだたレールに乗ってるだけです。

目には見えませんが、レールの極性を変えることで進行方向が変わるということを覚えていてください。

では、AC(交流)をレールに流すと極性はどうなるのでしょうか?

fg2_2_2.jpg

交流の話になるとよく出てくるグラフです。

(A)直流のグラフは直流電圧の様子をグラフ化したものです。

これをレールに当てはめるとどうなるのでしょうか?

パワーパックが前進になってる時と考えると、緑のラインが進行方向右側のレールに掛かっている電圧(V)で、パワーパックを触らない限りは延々と緑のラインは右に続いて行きます。

では、左のレールに掛かっている電圧はどれでしょうか?

グラフの基点にある「0」からの黒色の横軸がそれにあたります。

左のレールは「0V」ということで、0V=GNDレベルとなります。

一方の交流をレールに流すとどうなるのでしょうか?

直流のグラフと見比べて見て次回まで想像しておいてください。

このシリーズは転載は禁止しますが、記事へのリンクはフリーです。許可も不要です。
 


タグ:DCC
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