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交流回路の基本md 2d3af38
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交流回路こうりゅうかいろ基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_001e52cf874196d55c07921f5dbdf1efdescription交流回路を実効値と位相の観点から整理し、抵抗・コイル・コンデンサーの電圧電流関係とリアクタンスを証明する講義である。prerequisites電流と回路 / 直流回路の基本法則 / コンデンサー / ファラデーの法則の基本type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/electromagnetism/electric-current-and-circuits.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/capacitors.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/faraday-law-basics.lecture.n.md
physicselectromagnetismac-circuitlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、交流こうりゅうおおきさと位相いそう同時どうじあつか方法ほうほう説明せつめいする。

直流回路ちょくりゅうかいろでは、抵抗ていこうについて V=RI使つかえばよかった。交流回路こうりゅうかいろでは、電圧でんあつ電流でんりゅう時間じかんとともに振動しんどうする。コイルは電流でんりゅう変化へんか反応はんのうし、コンデンサーは電圧でんあつ変化へんか反応はんのうするので、位相いそうのずれが本質ほんしつになる。

2用語ようご定義ていぎ

角振動数かくしんどうすうangular frequency ω とは、正弦波せいげんは位相いそう単位時間たんいじかんすすりょうであり、ω=2πf である。

実効値じっこうちroot mean square valueとは、おな抵抗ていこうおな平均発熱へいきんはつねつあたえる直流ちょくりゅうあたいである。

リアクタンスreactanceとは、交流こうりゅうでコイルやコンデンサーがしめす、電圧振幅でんあつしんぷく電流振幅でんりゅうしんぷくである。

3方針ほうしん

交流回路こうりゅうかいろでは、素子そしごとに出発式しゅっぱつしきける。

  1. 抵抗ていこうv=Ri
  2. コイル:v=Ldi/dt
  3. コンデンサー:q=Cv,i=dq/dt

ここから、位相いそう振幅しんぷく関係かんけい証明しょうめいする。

4整理せいり 1:正弦波せいげんは実効値じっこうち

v(t)=V0sinωt

実効値じっこうち

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Vrms=V02

である。電流でんりゅうについても

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Irms=I02

である。

4.1証明しょうめい

抵抗ていこう R電圧でんあつ v(t)=V0sinωt をかけると、瞬間電力しゅんかんでんりょく

p(t)=v(t)2R=V02Rsin2ωt

である。1 周期しゅうき平均へいきんると、

p_=V02Rsin2ωt_=V022R

である。実効値じっこうち Vrms は、おな抵抗ていこう直流電圧ちょくりゅうでんあつとしてかけたときおな平均電力へいきんでんりょくあたえるあたいなので、

Vrms2R=V022R

である。よって

Vrms=V02

る。電流でんりゅうおな計算けいさんである。

5関係式かんけいしき 2:抵抗ていこうでは電圧でんあつ電流でんりゅう同位相どういそう

抵抗ていこう R

i(t)=I0sinωt

なら、

v(t)=RI0sinωt

であり、電圧でんあつ電流でんりゅう同位相どういそうである。

5.1証明しょうめい

抵抗ていこうでは瞬間しゅんかんごとにオームの法則ほうそく

v=Ri

成立せいりつする。したがって

v(t)=RI0sinωt

である。電圧でんあつ電流でんりゅうおなsinωt比例ひれいするため、位相いそうはずれない。

6関係式かんけいしき 3:コイルのリアクタンス

コイルで

i(t)=I0sinωt

なら、

v(t)=ωLI0sin(ωt+π2)

であり、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]XL=ωL

である。電圧でんあつ電流でんりゅうより π/2 だけすすむ。

6.1証明しょうめい

自己誘導じこゆうどう関係かんけいより、符号ふごう受動符号じゅどうふごうわせるとコイルの端子電圧たんしでんあつ

v=Ldidt

である。ここに i(t)=I0sinωt代入だいにゅうすると、

didt=ωI0cosωt=ωI0sin(ωt+π2)

なので、

v(t)=ωLI0sin(ωt+π2)

である。電圧振幅でんあつしんぷくV0=ωLI0 だから、振幅しんぷく

V0I0=ωL

である。これを XLく。

7関係式かんけいしき 4:コンデンサーのリアクタンス

コンデンサーで

v(t)=V0sinωt

なら、

i(t)=ωCV0sin(ωt+π2)

であり、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]XC=1ωC

である。電流でんりゅう電圧でんあつより π/2 だけすすむ。

7.1証明しょうめい

コンデンサーでは

q=Cv

であり、電流でんりゅう

i=dqdt

である。v(t)=V0sinωt なら

q(t)=CV0sinωt

なので、

i(t)=dqdt=ωCV0cosωt=ωCV0sin(ωt+π2)

である。電流振幅でんりゅうしんぷくI0=ωCV0 だから、

V0I0=1ωC

である。これを XCく。

8関係式かんけいしき 5:直列ちょくれつ RLC 回路かいろのインピーダンス

正弦波定常状態せいげんはていじょうじょうたい直列ちょくれつ RLC 回路かいろでは、電流実効値でんりゅうじっこうち I電圧実効値でんあつじっこうち V

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Z=VI=R2+(ωL-1ωC)2

である。

8.1証明しょうめい

直列ちょくれつでは電流でんりゅう共通きょうつうである。抵抗ていこう電圧でんあつ電流でんりゅう同位相どういそうIR、コイルの電圧でんあつπ/2 すすんで IωL、コンデンサーの電圧でんあつπ/2 おくれて I/(ωC) である。

位相いそう直交ちょっこうする成分せいぶんとしてすと、電流でんりゅう同位相どういそう成分せいぶんIR直交成分ちょっこうせいぶん

I(ωL-1ωC)

である。したがって全電圧ぜんでんあつおおきさは

V=(IR)2+[I(ωL-1ωC)]2

である。I をくくると

V=IR2+(ωL-1ωC)2

なので、

Z=VI=R2+(ωL-1ωC)2

る。

9見分みわかた

  • 実効値じっこうち平均発熱へいきんはつねつ定義ていぎする。
  • コイルは ωおおきいほどながれにくい。
  • コンデンサーは ωおおきいほどながれやすい。
  • RLC では XL-XC位相いそう原因げんいんになる。

10どこまで成立せいりつするか

ここでは正弦波せいげんは定常交流ていじょうこうりゅう仮定かていした。過渡現象かとげんしょうでは、微分方程式びぶんほうていしきとして時間変化じかんへんか必要ひつようがある。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Vrms=V02
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]XL=ωL,XC=1ωC
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Z=R2+(XL-XC)2

12一言ひとこと

交流回路こうりゅうかいろでは、抵抗ていこうおおきさだけでなく、コイルとコンデンサーがつく位相差いそうさう。

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