はじめに
電気の勉強をしていると、「変圧器」という言葉が出てきますよね。
電柱の上にある灰色の筒だったり、充電器の中にある部品だったり、名前は聞いたことがあっても、中で何が起きているのかは意外と知られていません。
以前の「電気が家に届くまで」の記事で、変圧器のくわしいしくみは別の回でお話しします、とお伝えしました。
この記事が、その約束の回です。
変圧器の中身はとてもシンプルで、鉄の芯にコイルが二つ巻いてあるだけです。
それなのに電圧を上げたり下げたりできるのですから、不思議ですよね。
しくみを知るカギは、コイルを巻いた回数、つまり巻数にあります。
巻数の比がわかれば、電圧の計算までできるようになりますよ。
- 変圧器のつくり：鉄心と一次コイル・二次コイルで、電気がどのように渡されるのか。
- 巻数比と電圧の計算：昇圧と降圧の見分け方と、テストに出る例題の解き方。
- 電流と損失：電圧が変わっても電力はほぼ変わらない理由と、よくある間違い。
変圧器のしくみの全体像
変圧器とは、交流の電圧を、目的に合わせて上げたり下げたりする装置のことです。
電気そのものをつくるわけではなく、電圧の高さを変えて受けわたす役目をしています。
この記事では、次の三つの柱で整理していきます。
最初につくりと働き、次に巻数比と計算、最後に電流と損失の順番です。
- つくりと働き：鉄心に一次コイルと二次コイルを巻き、交流のときだけ電圧が生まれます。
- 巻数比と計算：電圧の比は巻数の比と同じで、巻数が多い側ほど高い電圧になります。
- 電流と損失：電力はほぼ変わらず、電圧が上がれば電流は下がり、一部は熱で失われます。
ポイント1：変圧器のつくりと電気が渡るしくみ
まずは、変圧器がどんなものなのかを、つくりから見ていきます。
外から見ると大きな箱や筒ですが、中の基本は同じです。
ここがわかると、あとの計算がぐっと楽になります。
変圧器のつくりのポイントを紹介します
変圧器は電圧を変える装置
変圧器の仕事は、交流の電圧を上げたり下げたりして、使う場所に合った高さにそろえることです。
家庭のコンセントは百ボルトですが、発電所から町へ電気を送る送電線では、二十七万五千ボルトなどのとても高い電圧が使われます。
電柱の上の変圧器は、約六千六百ボルトを百ボルトや二百ボルトに下げて、家庭へ届けています。
発電所や変電所には大型のもの、電柱には円筒形のもの、充電器には小型のものがあり、大きさは違っても役目は同じなんです。
どれも、電圧を使う場所に合わせるという同じ目的で働いています。
つまり変圧器は、電気の使い道に合わせた調整役なんです。
ここで覚えておきたいのは、変圧器は電気をつくる装置ではないということです。
電圧の高さを変えるだけで、電気のもとになるエネルギーが増えたり減ったりするわけではありません。
この考え方は、あとで出てくる電力の話にそのままつながります。
テストでも「変圧器は何を変える装置ですか」と聞かれたら、電圧と答えられれば大丈夫です。
鉄心と二つのコイルでできている
変圧器の中身は、輪の形をした鉄の芯、つまり鉄心に、導線を巻いたコイルを二つ取りつけたものです。
電気を入れる側のコイルを一次コイル、電気を取り出す側のコイルを二次コイルと呼びます。
導線を巻いた回数のことは、巻数といいます。
この巻数が、電圧を決めるいちばんのカギになるんです。
ここで大切なのは、一次コイルと二次コイルが導線でつながっていないことです。
つながっていないのに電気の力が伝わる、というところが変圧器の面白さですね。
コイルの導線の表面は絶縁されているので、巻いた線同士で電気が漏れることもありません。
鉄心を使う理由は、磁力を通しやすいからです。
鉄心がないと、一次コイルでつくった磁力が空気中に広がってしまい、二次コイルにうまく届きません。
輪の形の鉄心なら、磁力が輪の中を通って二つのコイルをつなぎます。
「鉄心の役目は磁力を通すこと」と、理由つきで覚えておきましょう。
電気は磁力の変化で渡される
では、つながっていない二つのコイルの間で、電気はどうやって渡されるのでしょうか。
まず、一次コイルに交流の電気を流すと、鉄心の中に磁力が生まれます。
交流は向きが入れかわり続ける電気なので、磁力の強さや向きも変化し続けます。
すると、その変化を受けて、二次コイルに電圧が生まれるんです。
発電機の回で学んだ電磁誘導と同じ考え方で、電気をいったん磁力の変化にかえて、となりのコイルへ渡していると考えるとわかりやすいですよ。
磁力が、二つのコイルの間で電気の力を運ぶ橋の役をしているんですね。
ここが、変圧器のいちばん大切なしくみです。
この話から、変圧器は交流でないと働かないことがわかります。
乾電池のような直流は、向きも大きさも変わらない電気です。
鉄心の中の磁力が一定のままだと、二次コイルに電圧が生まれません。
つなぎ始めの一瞬を除いて、直流では電圧が出ないと覚えておきましょう。
家庭のコンセントの電気は交流なので、変圧器をそのまま使えるわけです。
- 鉄心：輪の形をした鉄の芯で、磁力を通しやすくする役目があります。
- 一次コイルと二次コイル：電気を入れる側と取り出す側で、導線ではつながっていません。
- 交流だけで働く：磁力が変化しないと電圧が生まれないので、直流では働きません。
ポイント2：電圧は巻数の比で決まる（昇圧と降圧）
つくりがわかったところで、いよいよ電圧の決まり方です。
変圧器の計算はテストの定番で、式さえ覚えれば確実に点が取れる分野でもあります。
落ち着いて、一つずつ確かめていきましょう。
巻数比と電圧の計算のポイントを紹介します
電圧の比は巻数の比と同じ
変圧器では、一次電圧と二次電圧の比が、一次コイルと二次コイルの巻数の比と同じになります。
たとえば一次の巻数が千回、二次の巻数が三千回なら、巻数の比は一対三です。
このとき電圧の比も一対三になるので、二次電圧は一次電圧の三倍です。
式にすると、二次電圧は、一次電圧に二次の巻数をかけて、一次の巻数でわった値になります。
巻数が多い側ほど、電圧が高くなるという関係をしっかりつかんでおきましょう。
二次電圧を出すときは、比を使って考えると間違いにくくなります。
巻数と電圧が比例している、と言いかえることもできます。
この式を使うときは、どちらが一次でどちらが二次かを、先に図に書きこむのがおすすめです。
「一次」と書いた横に電圧と巻数、「二次」と書いた横に電圧と巻数を並べると、計算のとりちがえが減ります。
テストでよくある失敗が、巻数比を逆にして計算してしまうことなんです。
答えが出たら、巻数が多い側の電圧が高くなっているかを、必ず見直してくださいね。
昇圧と降圧の見分け方
二次コイルの巻数が一次コイルより多いと、電圧が上がるので昇圧といいます。
反対に、二次コイルの巻数が一次コイルより少ないと、電圧が下がるので降圧といいます。
見分けるときは、電圧ではなく、まず巻数の多い少ないを見るのがコツです。
発電所のそばでは昇圧して遠くへ電気を送り、町の近くでは降圧して家庭で使える電圧にもどします。
電柱の変圧器は降圧用、発電所の変圧器は昇圧用と考えると、場面ごとの役目が覚えやすくなりますよ。
これが、昇圧と降圧の基本の考え方です。
発電所の近くと町の近くで、役目が逆になるのが面白いところですね。
昇圧と降圧は、同じ変圧器の使い方を変えただけとも言えます。
一次と二次を入れかえれば、巻数の少ない側から電気を入れると昇圧、多い側から入れると降圧になります。
ただし、実際の機器には入力と出力の向きが決まっているものが多く、逆向きにつなぐと危険な場合があります。
表示された向きと電圧を守って使うことが大切です。
例題で巻数比の計算に慣れる
例題1です。一次電圧が百ボルト、一次の巻数が千回、二次の巻数が三千回のとき、二次電圧は何ボルトでしょう。
巻数が一次から二次へ三倍になっているので、電圧も三倍です。
式にすると、百かける三千わる千で、答えは三百ボルトになります。
二次の巻数が多いので、昇圧ですね。
例題2は逆向きの問題です。一次電圧が六千六百ボルト、二次電圧が百ボルト、一次の巻数が六千六百回のとき、二次の巻数は何回でしょうか。
計算の前に、一次と二次を表に整理しておくと安心です。
式に当てはめるだけなので、落ち着いて取り組めば大丈夫です。
例題2の考え方です。
電圧の比は、六千六百対百で、六十六対一です。
巻数の比も同じ六十六対一になるので、一次の六千六百回を六十六でわって、答えは百回です。
二次の電圧が低いので、巻数も少なくなると確かめられます。
どちらの問題も、まず比を出す、次に巻数か電圧に当てはめる、という順番で解けば迷いません。
- 電圧の比=巻数の比：二次電圧は、一次電圧に二次の巻数をかけ、一次の巻数でわります。
- 昇圧と降圧：二次の巻数が多ければ昇圧、少なければ降圧です。
- 答えの見直し：巻数の多い側の電圧が高くなっているかを確かめます。
ポイント3：電流と損失、よくある間違い（電力はほぼ変わらない）
電圧のことがわかったら、最後は電流の話です。
電圧が変わるとき、電流はどうなるのでしょうか。
ここを正しく理解すると、変圧器が電気をつくらない装置だということも、すっきり納得できます。
電流と損失のポイントを紹介します
電圧が上がると電流は小さくなる
電圧を上げると、電力も増えると思いがちですが、そうではありません。
電力は電圧かける電流で求められ、変圧器の前と後で、この電力はほぼ変わらないんです。
ですから、電圧が三倍になれば、電流は三分の一になります。
たとえば百ボルトで三アンペアの電気は、三百ボルトにすると一アンペアです。
どちらも電力は三百ワットで、変圧器が電気を増やしたわけではないことがわかります。
ここが変圧器の計算でいちばん間違えやすいところなので、じっくり確認しましょう。
電力の単位はワットで、電圧のボルトと電流のアンペアをかけ算して求めます。
この関係は、送電線で高い電圧が使われる理由ともつながっています。
電圧を上げれば電流が小さくなり、送電の途中で失われる電気も少なくできるからです。
変圧器は、電気を減らさずに遠くへ運ぶための、大切な役者なんですね。
テストでは「電圧が上がると電流は小さくなる」と、セットで答えられるようにしておきましょう。
一部は熱になって失われる
ここまで電力は変わらないと説明しましたが、実際の変圧器では、電気の一部が熱になって失われます。
コイルの導線には電気抵抗があり、鉄心の中でも小さな電流が流れて熱が出るからです。
そこで鉄心は、一枚の厚い鉄のかたまりではなく、薄い鉄の板を重ねてつくられています。
板を重ねると、鉄心の中で無駄な電流が流れにくくなり、熱の損失を減らせるんです。
大型の変圧器では、油などで冷やす工夫もされています。
これは、電気ストーブのように、電流が流れた導線が温まる現象と同じです。
熱になった分は、電気として使えなくなります。
導線の太さにも工夫があります。
低電圧側は電流が大きくなるので、太い導線を少ない回数で巻きます。
高電圧側は電流が小さいので、細い導線を多い回数で巻きます。
電流の大きさに合わせて導線の太さを選ぶことで、熱の損失を抑えているわけです。
送電のしくみを先に整理したい方は、次の記事もあわせて読んでみてください。
テストで間違えやすい三つのポイント
変圧器の問題で間違えやすいところは、大きく三つあります。
一つ目は、乾電池につないでも電圧は変わらないことです。変圧器は交流でしか働かないので、直流では二次側に電圧が出ません。
二つ目は、巻数比を逆にして計算してしまうことです。
三つ目は、電圧が上がると電力も増えると思ってしまうことです。
どれも理由とセットで覚えておけば、問われ方が変わっても落ち着いて答えられます。
どれも授業でよく出てくる内容なので、順番に確認していきましょう。
間違えた経験のある人も多いところなので、安心してくださいね。
対策は、計算の前に三つの確認をする習慣をつくることです。
電気は交流かどうか、一次と二次はどちらか、答えが巻数の多い側で大きくなっているか。
この三つを、問題を解く前後に声に出して確かめるだけで、うっかりミスはぐっと減ります。
理由つきで覚えることが、いちばんの近道です。
- 電力はほぼ変わらない：電圧が三倍になれば、電流は三分の一になります。
- 熱の損失：電気の一部は熱になるため、鉄心は薄い鉄の板を重ねてつくります。
- 導線の太さ：電流が大きい低電圧側は太く、電流が小さい高電圧側は細く巻きます。
テスト前の確認リスト
ここまでの内容を、テスト前に見直せる形でまとめます。
変圧器の問題は、つくりと名前を答えさせるもの、巻数比から電圧や巻数を計算させるもの、電流や電力の関係を問うものが中心です。
一つずつ、声に出して言えるかどうかを確かめていきましょう。
答えにつまった項目があれば、その部分の説明をもう一度読み返してください。
理由まで言えるようになっていれば、問い方が変わっても対応できます。
- 変圧器は、鉄心に一次コイルと二次コイルを巻いたもので、交流の電圧を上げ下げする装置である。
- 一次コイルは電気を入れる側、二次コイルは電気を取り出す側で、導線ではつながっていない。
- 電圧の比は巻数の比と同じで、二次電圧は、一次電圧に二次の巻数をかけ一次の巻数でわる。
- 二次の巻数が多ければ昇圧、少なければ降圧。直流では働かず、交流でだけ働く。
- 電力は電圧かける電流でほぼ変わらず、電圧が三倍なら電流は三分の一。一部は熱で失われる。
よくある質問
変圧器はなぜ直流では使えないのですか
結論から言うと、直流では二次コイルに電圧が生まれないからです。
変圧器は、鉄心の中の磁力が変化するときにだけ、二次コイルに電圧を生みます。
交流は電気の向きと大きさが変わり続けるので、磁力も変化し続けて、二次側に電圧が出続けます。
ところが乾電池のような直流は、向きも大きさも一定です。
磁力が一定のままだと変化がないので、二次コイルに電圧が生まれません。
スイッチを入れた一瞬だけは変化がありますが、すぐに消えてしまい、実用になりません。
だから家庭のコンセントのように、交流の電気に使われているんです。
この点は、テストの記述問題でもよく問われます。
巻数比の計算で一次と二次を間違えないコツはありますか
問題を読んだらすぐに、「一次」と「二次」と書いた表を作るのがいちばん確実です。
一次の欄に電圧と巻数、二次の欄に電圧と巻数を書き入れ、わからない数字に印をつけます。
そのうえで、電圧の比と巻数の比が同じになるように式を立てましょう。
答えが出たら、巻数の多い側の電圧が高くなっているかを見直します。
もし逆になっていたら、一次と二次を取りちがえているサインです。
この見直しだけで、ケアレスミスはかなり防げますよ。
混乱しやすいのは、問題文に出てくる順番と、一次・二次の順番が一致しないときです。
電圧を上げると電流が小さくなるのに、電力は増えないのですか
はい、電力は増えません。電力は電圧かける電流で、変圧器の前と後でほぼ同じだからです。
電圧が三倍になると、そのぶん電流が三分の一になるので、かけ算の答えは変わらないんです。
変圧器は電気をつくる装置ではなく、電圧と電流の組み合わせを入れかえて渡す装置だと考えるとわかりやすいですよ。
実際には、一部が熱になって失われるため、出てくる電力はわずかに減ります。
増えることはない、と覚えておけばテストでも安心です。
百ボルトの三アンペアなら三百ワット、三百ボルトの一アンペアでも三百ワットです。
おわりに
変圧器は、鉄心に一次コイルと二次コイルを巻いた、とてもシンプルな装置です。
交流の電気を流すと、磁力の変化を通して二次コイルに電圧が生まれ、その比は巻数の比と同じになります。
二次の巻数が多ければ昇圧、少なければ降圧。電圧が変わっても電力はほぼ変わらず、電圧が上がれば電流は小さくなります。
変圧器は電気をつくらず、電圧の高さを変えて渡す装置だと、理由つきで覚えておきましょう。
身のまわりでは、電柱の上の円筒や、充電器の中の部品に、このしくみが生かされています。
次に電柱を見かけたら、あの筒の中で六千六百ボルトが百ボルトに下がっていることを思い出してみてください。
実感できると、テストの場面でも思い出しやすくなります。
応援しています。
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この記事の内容を動画でも解説しています。
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変圧器の計算でつまずかないための実戦ガイド
ここからは、変圧器の問題を解くときに実際にやってしまいがちな失敗と、その防ぎ方を整理します。式を知っているのに点が取れない原因は、たいてい計算を始める前の準備にあります。
- ポイント1：一次と二次を書き分ける：問題を読んだら表にして整理する。
- ポイント2：単位をそろえる：kVとVなどは計算の前に直しておく。
- ポイント3：答えの大小で検算する：昇圧なら電流が小さいか見直す。
計算で失敗しないためのポイントを紹介します
一次と二次を取り違えない書き方
いちばん多い失敗は、巻数や電圧を一次と二次で入れ替えてしまうことです。問題文には「一次側が100V」「二次コイルの巻数が300回」のように、情報が順番バラバラで出てきます。そこで、読みながら余白に一次と二次の二列の表を書き、数字を見つけるたびに該当する欄へ入れていきましょう。空いた欄が、求めるものです。表にするだけで、取り違えはほとんどなくなります。
電圧の単位をそろえてから計算する
問題によっては、一次電圧が6600Vで、二次電圧が200Vのように、同じ単位で並んでいます。ところが、「6.6kV」と「200V」のように、単位が混ざって出ることもあります。比の計算では単位がちがうと答えが1000倍ずれてしまうので、先にどちらかへそろえるのが鉄則です。計算に入る前に、単位を一度ながめるくせをつけておくと安心です。
答えの大きさで検算する
計算が終わったら、答えが理屈に合っているかを一瞬だけ確かめます。降圧の変圧器なら、二次側の電圧は一次より小さく、巻数も二次のほうが少ないはずです。逆に、数字が反対になっていたら、どこかで比を逆さにした合図です。検算に十秒使うだけで、ケアレスミスでの失点を防げます。
身のまわりの変圧器を探してみよう
変圧器は、教科書の中だけの部品ではありません。生活の中にたくさん隠れています。見つけてみると、テストの内容が一気に身近になります。
スマホの充電器の中の変圧器
コンセントからくる電気はおよそ100Vですが、スマホが使う電圧は5V前後です。そのままつなげば壊れてしまうので、充電器の中で電圧を下げています。この仕事をしているのが、小さな変圧器やそれに近い部品です。充電器が使っているときにほんのり温かくなるのは、変換の途中でわずかな電力が熱として逃げているからです。
電柱の上の変圧器と送電の工夫
発電所から送られる電気は、とても高い電圧です。高い電圧にすると電流が小さくなり、送電線で熱として失われる電力が少なくてすみます。ただし、そのままでは家庭で使えないので、電柱の上の灰色の筒で、100Vや200Vまで電圧を下げます。町を歩くときに電柱を見上げて、どこに筒があるか探してみてください。
