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{{Otheruseslist|電気工学の用語|人や組織などの交流全般|コミュニケーション|家族法に規定される親子の交流|面会}}
[[ファイル:Waveforms.png|class=skin-invert-image|thumb|300px|交流の波形の例。上から[[正弦波]]、[[矩形波]]、[[三角波 (波形)|三角波]]、[[鋸歯状波]]]]
電気工学において、'''交流'''（こうりゅう、{{Lang-en-short|alternating current: '''AC'''}}）とは、[[時間]]の経過とともに周期的に大きさや向きが変化する[[電流]]や電圧である<ref name=":0">{{Cite web|和書|title=交流とは|url=https://kotobank.jp/word/%E4%BA%A4%E6%B5%81-63363|website=コトバンク|accessdate=2021-03-16|language=ja|first=ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典,デジタル大辞泉,百科事典マイペディア,世界大百科事典 第２版,日本大百科全書(ニッポニカ),精選版|last=日本国語大辞典,世界大百科事典内言及}}</ref>。もともとは「'''交番電流'''」の略であったが、電流・電圧の区別をせずに交流と呼ばれる<ref name=":0" />。

交流の代表的な[[波形]]は[[正弦波]]であり、狭義の交流は'''正弦波交流'''（{{en|sinusoidal alternating current}}）を指すが、広義には周期的に大きさと向きが変化するものであれば正弦波に限らない波形のものも含む。正弦波以外の交流は'''非正弦波交流'''（{{en|non-sinusoidal alternating current}}）といい、[[矩形波]]交流や[[三角波]]交流などがある。

== 交流理論 ==
平等磁界中においてコイルを一定速度で回転させると、[[フレミングの右手の法則]]により導かれる方向に起電力を生じ、コイルの回転角に応じて円の周回のうち半周においては正の方向に、もう半周においては負の方向に正弦波の波形を持つ交流起電力を生じる。

=== 交流の三要素 ===
交流信号は以下に示す3つの要素を持ち、これらを特定することで任意の交流波形を得ることができる。

# '''[[周波数]]'''
#* 周期的なパターンが1秒間に繰り返される回数。量記号は''f'' 、単位は[[ヘルツ (単位)|ヘルツ]] (Hz)。コイルの回転角により定まる。なお、周期''T''（単位s）は周波数の逆数となる。
#* '''<math>\mathit{T}=\frac{1}{f}</math>'''
# '''最大[[振幅]]'''
#* 瞬時値の絶対値のうち最大のもの。
# '''[[波形]]'''
#* 横軸を時間、縦軸を瞬時値とする直交座標に表したときの形

あらかじめ用意された数種類の波形から1つを選び、周波数と最大振幅を指定して交流信号を発生させることのできる機器を[[ファンクションジェネレータ]]、任意の波形をプログラミングし、周波数と最大振幅を指定して交流信号を発生させることのできる機器を[[任意波形発生器]] という。

以上の三要素に'''[[位相]]'''（phase、1周期のうちの位置）を加えて四要素とすることもある。位相のずれを[[位相差]]（phase difference）といい、二波の位相角のうち一波が大きくなるときを位相の進み、反対に小さくなるときを位相の遅れ、同じになるときを同相（同位相）という。正弦波または余弦波を除く交流では1周期のうちのどの位置をもって位相を0とする位置（初位相）は定められていない。

=== 瞬時値 ===
磁束密度''B'' (T)、コイルの長さ''l'' (m)、コイルの速度''v'' (m/s)、コイルの垂直面に対する角度を&theta;とするとき、時間とともに変化するコイルに生じる起電力''e'' は次式のようになる。

:<math>e = 2Blv\sin\theta = E_m\sin\theta</math>

この式を'''瞬時式'''といい、ある時間における起電力を'''瞬時値'''（instantaneous value）という。瞬時値はコイルの回転角の変化に応じて刻々と変化する。また、瞬時値が最高となる値を'''最大値'''（maximum value）あるいは'''波高値'''（peak value）といい''E''<sub>m</sub> で表す。以上を角速度&omega; (rad/s)、時間''t'' (s) として[[弧度法]]で表現すると次のようになる。

:<math>E_m\sin\theta = E_m\sin\omega t</math>

さらに負の最大値を'''最小値'''といい、最大値と最小値の差を'''[[ピークピーク値]]'''（peak-to-peak value）という。

=== 実効値 ===
'''[[実効値]]'''（effective value）とは、交流における電流・電圧の大きさを、直流における電流・電圧に換算したときに相当する値をいう。正弦波交流電圧の実効値''E'' は次式で表現される。

:<math>E = \frac{1}{\sqrt{2}}E_m</math>

交流信号の大きさを表すときに最も多く用いられる指標で、例えば日本の一般家庭向け[[商用電源]]の電圧は100Vであることはよく知られているが、これは実効値としての値である。

また、正弦波交流電流の実効値は次式となる。

:<math>I = \frac{1}{\sqrt{2}}I_m</math>

=== 平均値 ===
瞬時値の正の範囲を{{frac|1|2}}周期にわたって積分し、[[周期]]で割ったものを'''平均値'''（mean value）という。{{frac|1|2}}周期をとるため半波平均値ともいうが、通常の正弦波交流の場合には1周期の瞬時値の算術平均がゼロであるため、単に「平均値」という場合には半波平均値を指す。

正弦波交流の平均値は次式のようになる。

:<math>E_{av} = \frac{2}{\pi}E_m</math>（交流電圧の平均値）、<math>I_{av} = \frac{2}{\pi}I_m</math>（交流電流の平均値）

=== 波高率と波形率 ===
波形の表現に波高率（peak factor）あるいは波形率（form factor）の値が用いられることがあり、それぞれ波高率 = 最大値 / 実効値、波形率 = 実効値 / 平均値となる。

=== 交流回路 ===
交流回路においては抵抗のほかにコイルやコンデンサも電流を妨げる働きをするが、それは正弦波交流の場合、抵抗''R'' においては電圧と同相、コイルにおいては自己誘導作用による逆向きの起電力を生じるため{{疑問点範囲|電圧は電流より{{frac|&pi;|2}} (rad) 遅れ位相|date=2021年4月|title=逆でしょう。}}、コンデンサは電荷<!-- 電流 -->を蓄積・放出する性質をもつため{{疑問点範囲|電流は電圧より{{frac|&pi;|2}}（rad）遅れ位相|date=2021年4月|title=逆でしょう。}}に働く。

交流回路における電流を妨げる働きをする'''[[インピーダンス]]'''（impedance）は、量記号''Z'' 、単位[[オーム]]（&Omega;）で表される。抵抗を''R'' 、コイルの誘導性[[リアクタンス]]を''X''<sub>L</sub> 、コンデンサの容量性リアクタンスを''X''<sub>C</sub> とすると、「インピーダンスの大きさ」は次式のようになる{{疑問点|date=2021年4月|title=RLC直列回路に限った話ならそうと書くべき。そうとは限らない一般の話なら、リアクタンス分をコイルとコンデンサに分けるのはおかしい。}}。

:<math>Z = \sqrt{{R^2}+(X_L-X_C)^2}</math>

位相の関係も表現できる「複素インピーダンス」については、[[インピーダンス]] の項を参照。

=== 交流電力 ===
交流回路（単相交流回路）において、電圧''V'' (V)、電流実効値''I'' (A)、電圧と電流の位相差&theta; (rad) のとき、[[電力]]''P'' （[[ワット (単位)|W]]）につき次式が成り立つ。

:<math>P = VI\cos\theta</math>

; 有効電力
: 上式で電力''P'' は、負荷回路の[[インピーダンス]]のうち抵抗成分にかかる電力を意味し、これを有効電力（消費電力）という。有効電力の量記号は''P'' で、単位にはワット (W) を用いる。
; [[皮相電力]]
: 上式で''VI'' は単純に交流の瞬時値電流の絶対値と瞬時値電圧の絶対値の積を1周期にわたって積分したものであり、皮相電力と呼ぶ。皮相電力の量記号は''S'' あるいは''P''<sub>s</sub> で、単位には[[ボルトアンペア]]（記号: V A）を用いる<ref group="注">[[ボルト (単位)|ボルト]]と[[アンペア]]をかけたもので、ワットに等しいが、皮相電力を表すことを示すために区別して用いられる。</ref>。
; 力率
: 上式でcos&theta;は有効電力を皮相電力で割ったもの（あるいは抵抗成分をインピーダンス全体で割ったもの）で[[力率]]といい[[百分率]] (%) で表すことも多い。
:
; [[無効電力]]
: 負荷回路のインピーダンスのうち[[リアクタンス]]分にかかる電力は無効電力といい、量記号は''Q'' あるいは''P''<sub>q</sub> で単位にはバール (var) を用いる。無効電力については次式が成り立つ。
::<math>Q = VI\sin\theta</math>
::'''・無効率'''
::上式でsin&theta;は無効電力を皮相電力で割ったもので、無効率といい[[百分率]] (%) で表すことも多い。
: 電流を必要とするが回路では消費されない部分となる。力率が小さいほど無効電力は大きくなり無駄な電流を流していることを意味する。なお、sin&theta;の値を無効率という。

[[三相交流]]回路の場合、三相電力''P'' は各相における電力の総和として表される。相電圧''E''<sub>p</sub>、相電流''I''<sub>p</sub>、力率cos&theta;のとき次式が成り立つ。
:<math>P = 3E_p I_p\cos\theta</math>

=== 非正弦波交流 ===
非正弦波交流の分析には、基本波や高調波などの概念が用いられる。
* 基本波 - 交流信号の周波数成分のうち、もっとも周期が長い（周波数が低い）もの。
* [[高調波]] - 交流信号の周波数成分のうち、基本波を除いたもの。交流信号では高調波のそれぞれの周波数は基本波の周波数の[[自然数]]倍になる。純粋な正弦波には含まれない。
* [[歪率]] - 高調波の電力の総和を基本波の電力で割ったもの。正弦波では歪率はゼロとなる。

== 交流の利用 ==
=== 交流発電 ===
交流[[発電]]では、一般に正弦波を発生させる<ref group="注">発電ではないが、無停電電源装置には停電時に[[矩形波]]を発生させるものもある。</ref>。

[[発電所]]や[[船|船舶]]あるいは大型[[航空機]]<ref group="注">[[レシプロエンジン|レシプロ]]機などの小型機は今も[[整流子発電機|直流発電機]]（[[ダイナモ]]）を使用する。また[[昭和]]初期までの古い船舶、[[1960年代]]までの[[自動車]]も直流発電機であった。なお、一定の周波数で発電することが非常に重要な航空機などは、発電用エンジンの回転数変化の影響をなくすために定速駆動制御装置 ([[:en:Constant speed drive|CSD : constant speed-drive]] unit) などによって規定の周波数を維持しなければならない。</ref><ref>[http://www.jal.com/ja/jiten/dict/p139.html 定速駆動制御装置] - [[日本航空]]・航空実用辞典 > 電気系統（更新日不明/2017年3月8日閲覧）</ref> などの[[発電機]]は交流発電機を用いる。必要な電力量が多い場合、[[発電機]]は通常[[三相交流]]発電機を利用する。自動車の[[電装]]用[[オルタネーター]]は単相である。

=== 交流送電 ===
発電所で発電された[[電力]]は、送電のために[[特別高圧]]に[[変圧器]]で[[変電]]され[[交流送電]]される。交流は[[変圧]]が容易であるため、遠方へ簡単に送電できるという特長がある。一方で、直流送電には無効電力がないなど大規模な電力を長距離に送電する場合に利点があり、海底や地中での送電ケーブルでの[[送電]]では、[[整流器]]や[[インバータ]]を使用した[[直流送電]]が利用される。

交流の[[配電]]で用いられる電気方式は[[三相4線式]]・[[三相3線式]]・[[単相3線式]]などがある。

[[電力会社]]が供給する交流の商用電源の周波数は国によって違い、60[[ヘルツ (単位)|Hz]]または50Hzである。日本では歴史的経緯から同一国内に2種類の周波数が混在しており、概ね本州中央部を境に西が60Hz、東が50Hzを採用する。詳しくは[[商用電源周波数]]を参照のこと。

=== 交流機器 ===
交流モーターには[[整流器]]が通常は不要である。しかし単相交流誘導モーターには[[コンデンサー]]（コンデンサ）が必要である。

== 蓄電 ==
交流は常に極性が変わるため、[[化学変化]]を利用して一方向へ電気を送ることで[[放電]]や[[蓄電]]を行う[[電池]]に用いることはできず、交流のまま電気を貯めておくことができない。全ての電池の[[出力]]が[[直流]]であることはもちろん、[[二次電池]]の[[充電]]にも交流電源はそのまま使えず、整流が必要となる。

整流せずに交流機器のみで電力の出し入れを行う場合は、[[揚水発電]]や[[フライホイール・バッテリー]]など、一旦[[位置エネルギー]]や[[運動エネルギー]]に置き換える必要がある。

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
=== 注釈 ===
{{Notelist2}}
=== 出典 ===
{{Reflist}}

== 参考文献 ==
* {{cite|和書|title=電気回路入門|publisher=槇書店|author=[[飯島重孝]]|author2=西尾和憲|year=1990|edition=1|ISBN=4-8375-0541-4}}
* {{cite|和書|title=電気回路論 改訂版|publisher=オーム社|editor=電気学会編|year=1993|edition=41}}

== 関連項目 ==
* [[直流]]
* [[力率]] - [[インピーダンス]] - [[アドミタンス]]
* [[進相コンデンサ]]
* [[実効値]] - [[平均]]値 - [[最大値]]
* [[単相交流]] - [[三相交流]]
* [[発電]] - [[発電所]] - [[発電機]]
* [[送電]] - [[交流送電]] - [[直流送電]]
* [[変電]] - [[変電所]] - [[変電設備]]
* [[配電]] - [[受電設備]] - [[三相4線式]] - [[三相3線式]] - [[単相3線式]] - [[単相2線式]]
* [[電気]]
* [[電気工学]] - [[電力工学]]
* [[商用電源周波数]]
* [[ACアダプタ]]
* [[交流電化]]（鉄道における交流電化）
* [[配線用差込接続器|コンセント(配線用差込接続器)]]
* [[ニコラ・テスラ]]

{{電磁気学}}
{{電気電力}}
{{Normdaten}}
{{DEFAULTSORT:こうりゆう}}

[[Category:電気工学]]
[[Category:電力流通]]
[[Category:振動と波動]]