変圧器と電源: 効率の向上

ここで問題となるのは、電気は電線を伝わるときに実際にエネルギーを失うということです。金属ケーブルは、摩擦のような抵抗 - と呼ばれるもので反撃します。靴下を履いたままカーペットの上を滑ることを想像してみてください。この抵抗により、有用なエネルギーが無駄な熱に変わります。通常の家庭用電気を長距離に送ろうとすると、そのほとんどが熱として失われ、電線は危険なほど熱くなります。

では、公益事業はこの問題をどのように解決するのでしょうか?彼らは「圧力」-、いわゆる電圧を上げます。パイプの中の水のようなものだと考えてください。圧力が高いと、同じ量の水をより少ない労力でより遠くまで押し出すことができます。送電線が途方もなく高い電圧で電気を長距離伝送するのはこのためです。そして、トースターが爆発しないように、家庭に届く直前に変圧器が圧力を安全なレベルまで下げます。

遠く離れた発電所から近所に電気を送るのは簡単ではありません。移動する際、抵抗により多くのエネルギーが熱に変わります。通常の家庭用電圧（約 120 ボルト）で電力を送った場合、電力の 90% 以上があなたの町に近づく前に熱として失われることになります。

賢い修正は？電圧を大幅に上昇させます - 場合によっては 115,000 ボルト以上 - にしながら、電流を大幅に下げます。電力は基本的に電圧と電流の積なので、はるかに少ない「流量」で同じエネルギーを供給できます。電流が少ないということは、ワイヤに対する摩擦が少ないことを意味し、無駄な熱が大幅に減少します。送電鉄塔にある大きな「高電圧」の警告標識は、安全のためだけではなく -、実際にはエネルギーを節約する賢い方法です。

もちろん、115,000ボルトを家に直接流すことはできません。そこで変圧器の出番です。変圧器は自転車の電気のギアのように機能し、移動用の高電圧/低電流と実際の使用用の低電圧/高電流の間で切り替えを行います-。可動部品なしでそれを行います。

自転車で上り坂を走っている様子をイメージしてください。ギアをシフトして、速度と引き換えに推進力を高めます。変圧器も同様の考え方に基づいて動作しますが、速度とトルクの代わりに、電気の流れ（アンペア）を圧力（ボルト）と交換します。

すべては、内部の 2 つのコイルのワイヤー ループの数によって決まります。出力側のループが多いほど、電圧が高くなります（ステップアップ）。-。ループが少ないほど、電圧が低くなります（降圧）。-そのシンプルな「ギア比」により、機械部品を使わずに効率的に電圧を変更できます。

旅の仕組みは大まかに次のとおりです。

発電所:-昇圧変圧器は長距離旅行用に電圧を高めます。-

大規模な変電所の場合: 大型の変圧器により、ローカルエリア向けの中レベルまで電力が下がります。

近所の電柱や緑色のボックス内: 小型の変圧器が、最後に家庭に必要な安全な 120 ボルトまたは 240 ボルトに電圧を下げます。

驚くべきことに、このプロセス全体で無駄なエネルギーはほとんどありません。配電変圧器は高効率になるように作られています。

では、ワイヤーが実際には接触していない場合、電力はどのようにしてあるコイルから別のコイルにジャンプするのでしょうか?それはすべてファラデーの帰納法則のおかげです。

最初のコイルに電気が流れると、強い磁場が発生します。その目に見えない磁場がギャップを越えて到達し、2番目のコイルに新たな電流を誘導します。エネルギーがほとんど失われないようにするために、両方のコイルは磁気の高速道路のように機能する重い鉄芯の周りに巻き付けられ、磁気を一方の側からもう一方の側にまっすぐに導きます。

この物理的な分離は、安全性にも大きなメリットをもたらします。雷が送電線に落ちた場合、その隙間があれば、その大規模なサージが家の中のものを破壊するのを防ぐことができます。

ラップトップのコードに重い小さなブロックがあることに気付いたことがありますか?それがミニトランスです。家庭用の 120 ボルトの電力は、繊細な電子機器にとってはまだ多すぎるため、これらの「電源ブリック」はそれをさらに引き下げます。

壁コンセント: 120 ボルト

ラップトップ: 約 19 ボルト

スマートフォン: 通常 5 ボルト

電柱に設置されている大きな充電器（冷却用にオイルが充填されていることが多い）とは異なり、これらの小型充電器は乾式-タイプ - であり、冷却のために空気とフィンを使用するだけです。そのため、しばらく充電していると温かくなります。耳を澄ますと、かすかにブーンという音さえ聞こえるかもしれません。それは、磁場の変化によって内部の金属部品が振動していることです。

電柱にある巨大な変圧器は、より多くの熱に対処しなければなりません。特殊なオイルが充填されており、熱を逃がすために車のラジエーターのような金属製のフィンが付いています。エンジニアは、特に全員がエアコンを作動させている暑い夏の日に過熱しないように、それぞれがどれだけの負荷に対応できるかを慎重に計算します。

このような賢いエンジニアリングのおかげで、最新の変圧器は 98% 以上の効率を達成できます。つまり、入力される電力のほとんどすべてが実際にコンセントに到達することになります。

結局のところ、変圧器のおかげで、大量のエネルギーを無駄にすることなく、長距離にわたって効率的に電気を輸送できるのです。有名な「電流戦争」でニコラ テスラが交流を推進したとき、この技術が彼の勝利の大きな部分を占めました。

今日、これらの静かなデバイスの重要性はさらに高まっています。エネルギー損失を削減することで、二酸化炭素排出量を削減し、再生可能エネルギー源をより実用的なものにするのに役立ちます。

次回散歩に出かけるときは、ちょっとした「変圧器発見」に挑戦してみてください。木の柱の上にある灰色の円柱、地面にある緑色の箱、またはフェンスで囲まれた大きな変電所を探してください。これらはすべて、電圧と電流のバランスを取る同じ仕事を静かに行っているため、何も考えずに携帯電話を充電できます。-

考えてみると非常に驚くべきことです。19 世紀の輝かしい発明が、21 世紀の電力網の心臓部として今も脈動しています。-

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