日常生活で接する電気は、主に直流と交流の二種類に分類されます。例えば、乾電池や自動車のバッテリーは直流を使用しているのに対し、住宅で利用されるコンセントから供給される電気は交流です。
この記事では、直流と交流の基本的な違いと、なぜ住宅で交流電源が採用されているのかに焦点を当てて説明します。
直流電流と交流電流の基本的な違い
私たちが日常使っている電気には、直流と交流の二つの形態があります。
直流（DC）
直流電流は、その流れや電圧の強さが一定で変わらない状態を指します。この種類の電流は、常に一定の方向に流れ続けます。乾電池、自動車のバッテリー、そして多くの電子機器に電力を供給するACアダプターが直流を使用しています。これらの電源は用途に応じて様々な電圧を提供します。例えば、乾電池は1.5V、自動車のバッテリーは12V、ACアダプターは5Vから24Vの範囲で電圧を出力します。
交流（AC）
一方、交流電流は、電圧と電流の強さが時間と共に周期的に正と負の間を変動します。この変動は一般に正弦波形であり、交流電流の代表的な形です。住宅で使われるコンセントから供給される電気はこの交流電流にあたり、一般的には100Vの電圧で提供されていますが、大きな電力を必要とする機器、例えばエアコンなどでは200Vが使用されることもあります。
交流電流では、電流が1秒間に繰り返される回数、すなわち周波数が重要な指標となります。周波数はヘルツ（Hz）で測定され、日本では家庭用電源の周波数として50Hzまたは60Hzが一般的に用いられています。
家庭に交流電源が採用された理由
日本の商用電源が家庭に供給を開始したのは1896年です。当時、日本は技術的に外国に遅れをとっており、発電技術はアメリカやドイツから導入されました。世界で初めて発電事業を手掛けたのは、電球の発明で知られるトーマス・エジソンで、彼は直流を用いた発電事業を立ち上げました。
直流発電の挑戦
エジソンによって1882年にロンドンで、そして同年にはニューヨークでも最初の発電所が稼働し始めました。これら初期の発電所は、現在一般的な交流ではなく直流を使用していました。エジソンが建設した発電所は市中心部に位置しており、電力は直接、送電線を通じて家庭に供給されました。
直流方式では、消費地が増えると全体の電流が増加し、送電線には電気抵抗が存在するため、電圧降下という問題が生じました。オームの法則によると、電圧降下は電流と抵抗の積に等しく、これが家庭で使える電圧を低下させる原因となりました。
直流では電圧を容易に調整できないため、電灯の明るさが大きく影響を受けました。発電所に近い家庭では電灯が明るく、離れるほど電灯が暗くなるという問題がありました。
これにより、発電所から家庭までの供給距離は限られており、広範囲に電気を供給するには都市内に多数の発電所を建設する必要がありました。この直流方式の制約を克服するため、電圧の調整が容易な交流方式へと移行することが考案されました。
交流ならば、変圧器を用いて電圧を上げたり下げたりすることが可能になり、より効率的に広範囲に電力を供給できるようになったのです。
交流発電の登場と普及
交流電流の開発と普及において中心的な役割を果たしたのは、発明家ニコラ・テスラです。彼は交流電流の概念を発明し、その後ウェスティングハウス社と共に交流発電事業を推進しました。
交流の最大の利点は、変圧器を使用して電圧を自由に調整できることにあります。この変圧器の発明もテスラによるものです。
家庭へ供給される電気エネルギーの量は、電圧と電流の積によって決定されます。この関係は、電圧を高めることで送電時の電流を減らし、結果として送電線の電圧降下を最小限に抑えることができるため、電力を遠くまで効率良く送ることが可能になります。
変圧器は、鉄の心に巻かれた二つのコイルを用いて構成されており、一方のコイルに加えられた電圧を、もう一方のコイルの巻数比によって調整することができます。この仕組みにより、電圧を簡単に上げ下げすることが可能となり、電力の送電効率が大幅に向上しました。
直流では、このような変圧器を用いた電圧の調整が不可能であるため、発電機で生成される電圧をそのまま送電する必要があり、効率的な長距離送電が困難でした。
日本では、発電所から変電所までの送電には数十万ボルトの高電圧が用いられ、変電所から住宅近くまでは6600ボルトに、そして住宅近くの柱上変圧器を通じて、最終的に家庭用の100ボルトや200ボルトに変換されています。この仕組みにより、効率的に多くの家庭に電力を供給することが可能になっています。
まとめ：家庭用コンセントが交流を採用する理由
初期の発電事業は直流を使用していましたが、直流の大きな制約である電圧変更の不可が、その普及に大きな障害となりました。
電圧を自由に変えることが可能な交流発電の発明により、遠距離への電力供給が現実的になり、この技術は世界中で採用されるようになりました。
日本でも、海外からの交流発電技術の導入を経て、国内での発電事業が展開し、今日に至っています。このような歴史的背景と技術的利点から、日本の家庭用コンセントでは交流電源が標準となっています。
