コイルをたくさん巻けば、大きな電圧を取り出せる。それなら、巻き数を増やし続ければ電気をいくらでも作れるのでしょうか。変圧器の問題では、ここを一度立ち止まって考えてほしいのです。電圧が大きくなることと、取り出せるエネルギーが増えることは同じではありません。まずは二つのコイルの対応を読み、そのあとで電流を含めて確かめましょう。
この記事では、二つの独立したコイルと鉄心を使う基本的な変圧器を考えます。家庭用の電源装置全体を分解して調べる話ではなく、与えられた関係を使う資料問題です。交流は電流の向きや大きさが時間とともに変わる電気です。細かな波形の計算はせず、本文に示す交流の電圧・電流の値で比較します。
入り口と出口に名前をつける
電源につなぐ側を一次側、電気を取り出す側を二次側と呼びます。一次側の電流が変化すると鉄心を通る磁気の状態も変わり、二次側のコイルに電圧が生じます。離れた二つの回路の間で、磁気の変化を通してエネルギーを伝える仕組みです。この説明では、一次側から来た電流がそのまま鉄心の中を流れ、二次側へ抜けるわけではありません。
電流が一定になった乾電池をつなぐだけでは、交流と同じように二次側へ電圧を出し続けられません。「コイルが二つあるから動く」と覚えると、変化が必要だという肝心な条件を落としてしまいます。スイッチを切り替えた瞬間の現象と、長く同じ状態にしておいた場合も分けてください。
巻き数は、二次側を一次側で割る
損失を無視できる理想的な変圧器では、電圧の比は巻き数の比と等しくなります。一次側が200回、二次側が50回なら、二次側の巻き数は一次側の4分の1です。したがって二次側の電圧も4分の1になります。50÷200を使う理由を「出てくる側÷入れる側」と言えれば、図を左右逆に描かれても迷いにくくなります。
「巻き数が150回減ったので、電圧も150減る」という引き算はしません。回とVは違う量です。巻き数を一度そろえて比に直し、その倍率を電圧へ移します。一次側の巻き数が変われば、同じ二次側50回でも倍率は変わります。二次側の数字だけ見て決める問題ではないのです。
電圧が高くなっても、電力が増えるわけではない
次に、電力を「電圧×電流」で計算できる条件を問題で与えられたとします。理想的な変圧器では入力と出力の電力は等しいので、電圧を2倍にして同じ電力を渡すなら、電流は半分になります。電圧だけ2倍、電流もそのまま、では出力の電力が2倍になってしまい、入力との関係が合いません。
実際にはコイルや鉄心で熱などになる分があり、取り出せる電力は入力より小さくなります。ここでいう理想は、現物が完全だという意味ではなく、計算するために損失を省いた条件です。また、現実の交流回路すべてで電圧と電流の数値の積がそのまま消費電力になるわけではありません。例題では抵抗の負荷を考え、この積を使えることを明示します。
例題1：出てくる電圧を求める
一次側200回、二次側50回の理想的な変圧器があります。一次側の交流電圧が12Vのとき、二次側の電圧は何Vですか。数値は考え方を確かめるための架空の条件です。
答え・解説： 3Vです。巻き数の比は50÷200＝1/4なので、12×1/4＝3Vとなります。計算前に「二次側は少なく巻いてあるから電圧は下がる」と見通しを立てましょう。48Vと出た場合は、割る順番を逆にした可能性があります。12Vと200回、求める電圧と50回をそれぞれ同じ列に書くと、対応を点検できます。
例題2：電圧を上げたときの電流
損失のない変圧器を通して抵抗の負荷へ電気を送ります。入力は10V・0.6A、出力は30Vです。入力・出力とも電圧×電流で電力を求められるものとして、出力電流を求めてください。
答え・解説： 0.2Aです。入力電力は10×0.6＝6W。出力も6Wだから、6÷30＝0.2Aとなります。0.6Aのままなら30×0.6＝18Wとなり、与えた6Wを超えてしまいます。電圧が3倍になったことと、電流が3分の1になったことを組にして確認します。
図に書き込むのは四つの数字
見慣れない装置図でも、一次側の巻き数と電圧、二次側の巻き数と電圧を整理するところから始められます。電流まで問われたら、さらに入力と出力の電力を比較します。電圧の高さをそのまま「電気の量」と呼ばず、何を大きくしたのかを言葉で指定することが、この問題の整理になります。