交流電和直流電有什麼不同？簡單認識阻抗

生活中的例子

仔細看手機充電器，會看到一排小字。例如「輸入 AC100-240V 50/60Hz」「輸出 DC5V」這樣的標示。AC是交流電、DC是直流電的縮寫。充電器接收插座的交流電，把它變成手機能用的直流電再送出去。

另一方面，乾電池和手機電池送出的電，一開始就是直流電。遙控器和手機裡的電路，也都靠直流電運作。也就是說，家裡有2種電，在兩者的交界處進行轉換。

這篇文章先看這兩種電的差異。接著說明交流電特有的性質，也就是電容器和線圈的行為。最後確認這些性質在充電器和濾波器中怎麼派上用場。

原理1：方向固定的直流電，方向交替的交流電

接在電池上的小燈泡，電流總是從正極出發，繞過電路流向負極。這種方向和大小都幾乎固定的電，就是直流電。畫成圖，就是一條高度不隨時間改變的水平線。

插座的電不一樣。電壓平順地升到正值，回到0，再降到負值，然後又回來。不斷重複這種來回的，就是交流電，形狀是稱為「正弦波」的波。電壓的方向會變，所以電流的方向也跟著來回改變。

每秒來回幾次，稱為頻率。單位是赫茲（Hz），50 Hz就是每秒來回50次。以日本為例，大致以靜岡縣的富士川和新潟縣的糸魚川一帶為界，東部是50 Hz，西部是60 Hz。明治時代，東京引進了德國製的50 Hz發電機。大阪則引進了美國製的60 Hz發電機，一直沿用到今天（Panasonic的解說）。

原理2：插座為什麼用交流電

主要的理由，是電壓容易升高或降低。在鐵心上繞2組線圈（把電線一圈圈繞起來的東西），一邊電流的變化，就會在另一邊產生電壓。這種裝置稱為變壓器。電壓的比由匝數的比決定，匝數是10分之1，電壓也是10分之1。

變壓器只在電流「正在變化」時才會作用。交流電一直在變化，直接送進去，電壓就會改變。直流電是固定的，除了接上的瞬間，另一邊什麼都不會發生。從發電廠到家裡要多次改變電壓，用交流電比較方便。

升高電壓再輸送，損失就會減少

那麼，為什麼要改變電壓呢？電線也有一點電阻，電流流過時，有一部分會變成熱而損失。損失的功率，是電流乘以同樣的電流，再乘以電線的電阻。寫成算式是「電流² × 電阻」，也寫成I²R。

輸送的功率，是電壓乘以電流。用10倍的電壓輸送同樣的功率，電流只要10分之1。損失與電流的平方成正比，所以是10分之1的平方，也就是100分之1。因此以日本為例，大型發電廠會把電壓升到約27萬5千〜50萬伏特再輸送，在變電所分段降低。最後由電線桿上的變壓器，降到100伏特或200伏特（日本製鐵公司刊物的解說）。

原理3：「100伏特」是有效值

交流電的電壓不斷在變。以日本的插座為例，「100伏特」是哪個瞬間的值呢？如果取平均，正負會互相抵消，變成0。所以要用別的方法來定。

想像電暖器這種把電變成熱的器具。接上交流電時，能讓它一樣熱的直流電壓，稱為這個交流電的「有效值」。插座的100伏特就是有效值。意思是能讓電暖器和接上直流100伏特時一樣熱。

正弦波的交流電，峰值約為有效值的1.41倍（2的平方根倍）。100伏特插座的電壓，實際上在+141伏特和−141伏特之間來回。發熱量與電壓的平方成正比。把這個平方在1個週期中平均，剛好是峰值平方的一半。再開平方根，就是峰值除以1.41的值（推導過程省略）。

另外，插座的電壓並不總是剛好100伏特。日本的電氣事業法及其施行規則規定，輸配電公司要努力把電壓維持在101伏特上下6伏特的範圍內。也就是95〜107伏特。

原理4：電阻、電容器、線圈的行為

交流電和直流電最大的不同，在於電流通過的難易，會因電路元件和「變化的快慢」而改變。這裡來看電子電路的3種基本元件。為了簡單，都當作理想的元件來處理。

電阻不論對直流電還是交流電，都一樣讓電流難以流動。頻率改變，阻礙的程度也不變。流過的電能，會變成熱散出去。

電容器：變化越快越容易通過

電容器是把2片金屬板，隔著不導電的薄膜相對擺放的元件。加上電壓，一片板子會累積正電，另一片累積負電。在直流電中，充滿之後電流就會停止。充電需要的時間，在「時間常數RC是什麼？」中說明。

在交流電中，每當電壓方向交替，累積的電就會流出，再反向重新累積。隨著這樣進進出出，電路中的電流就來回流動。方向交替得越快，進出也越快，電流就越容易流動。電容器是擋住直流電、變化越快越容易通過的元件。

線圈：變化越快越難通過

線圈是把電線一圈圈繞起來的元件。電流流過時，周圍會產生像磁鐵一樣的力。電流要改變時，這個力也會改變，線圈上就會產生抵消這個變化的電壓。這個電壓稱為反電動勢。

在直流電中，電流不變，所以線圈就和普通電線一樣，很容易通過。在交流電中，變化越快，抵抗的電壓越大，電流就越難流動。線圈是讓直流電容易通過、變化越快越難通過的元件。和電容器剛好是相反的性格。

電抗與阻抗

電容器和線圈對交流電表現出的阻礙，稱為電抗。單位和電阻一樣是歐姆（Ω）。但和電阻不同，電抗不會把電能變成熱用掉。它在1個週期中，反覆把能量儲存起來，再還給電路。

電容器的電抗，頻率越高就越小。算式是「1 ÷（2 × 圓周率 × 頻率 × 電容）」。電容（能儲存多少電的指標）為1微法拉的電容器，在50 Hz時約為3.2千歐姆。在1百萬赫茲（每秒100萬次）時，會降到約0.16歐姆。線圈則相反，是「2 × 圓周率 × 頻率 × 線圈的強度」，與頻率成正比變大。

把電阻和電抗合起來，交流電中對電流的整體阻礙，稱為阻抗。也就是把「這個電路在這個頻率下是幾歐姆」用一個數字表示。不過，電阻和電抗不能單純相加。原因在於接下來要看的「時間點的錯開」。

原理5：電流和電壓的時間點錯開（相位）

在只有電阻的電路中，電壓到峰值時，電流也到峰值，2個波是同步的。但在電容器中，就不同步了。因為流入電容器的電流，在電壓「變化」最快的瞬間最大。在正弦波中，那就是電壓穿過0的瞬間。

結果，電容器的電流峰值，會比電壓峰值早4分之1週期到來。波中的時間點稱為相位，把1個週期當作360度，就說「電流超前90度」。這不是電流預知未來，而是在重複的波中，峰值的位置錯開了。線圈則相反，電流比電壓落後90度。

電阻的電流和電壓同步，電容器和線圈的電流則錯開90度。錯開的波，峰值的時刻不同，所以大小不能單純相加。阻抗不等於「電阻 + 電抗」，就是這個原因。計算時，會使用同時處理大小和錯開角度的方法（這裡不深入）。

原理6：諧振與收音機的選台

線圈和電容器對頻率的性格剛好相反。所以把兩者組合起來，只會有1個頻率，讓兩者的效果剛好相等。在這個頻率下，2個方向相反的錯開互相抵消，電路對這個頻率反應強烈。這稱為諧振（也叫共振，就是前一張圖中「諧振」的點）。

收音機的選台，就是利用這個性質。天線會同時收到許多電台、不同頻率的電波。以日本為例，AM廣播使用526.5〜1606.5千赫的範圍（2026年時點，日本總務省）。轉動選台旋鈕改變電容，諧振的頻率就會移動，只把那一台的電波強烈地取出來。

這裡說明的，是傳統旋鈕式的原理。現在的收音機大多不用旋鈕移動元件，而是用電子電路精細地控制頻率來選台。

原理7：做功的電流，和只是來回的電流（功率因數）

電流和電壓錯開，也會影響功率。電容器和線圈只是把能量儲存起來再還回去。這部分的電流，只在電源和設備之間來回，不會產生熱或動作之類的功。

在流動的電流中，表示實際做功比例的數，稱為功率因數。它的值介於0到1之間，沒有錯開時是1。例如在100伏特下使用800瓦的設備，功率因數為1時只要8安培。功率因數為0.8時需要10安培，而電線的損失與電流的平方成正比，所以約增為1.56倍。

像馬達這種含有很多線圈的設備，電流會落後，功率因數容易下降。另外，電腦的電源等，也會因為電流的波形失真，使功率因數下降。所以很多設備裝有功率因數校正電路，讓輸入電流接近和電壓同樣形狀、同樣時間點。

在電子產品中

充電器：把交流電變成直流電

充電器先用只讓電流往一個方向通過的元件（二極體），把交流電的方向整理成一致。這稱為整流，詳細內容在「二極體是什麼？」中說明。方向一致了，但還是起伏不平，所以用電容器把波撫平。這種用途的電容器，就是平滑電容。

現在的充電器，大多會把這個直流電，以每秒數萬次以上的速度細密地切換。再通過小型變壓器降低電壓，然後再次整流、撫平（ROHM）。切換得越快，用較少的匝數和較小的鐵心，就能產生同樣的電壓。這是利用線圈「變化越快反應越強」的性質，讓充電器又小又輕（這裡簡化了說明）。

濾波器：依頻率分開

電容器和線圈的通過難易，會隨頻率改變。利用這個性質，可以做出只讓需要的頻率通過、削弱其他頻率的電路。這稱為濾波器，從哪裡開始削弱，用截止頻率來表示（「分貝（dB）是什麼？」）。

常見的例子，是放在晶片電源端子旁邊的小電容器。它接在電源和電壓的基準（接地）之間。它不讓直流的電源通過，只把快速的晃動（雜訊）導向接地，讓送到晶片的電壓穩定。在處理聲音或電波的類比電路中，濾波器也是基本的元件（「類比IC是什麼？」）。

常見的誤解

從數字來看

同樣是1微法拉的電容器，頻率變成2萬倍，阻礙的程度就變成2萬分之1。插座的交流電幾乎通不過，但像無線電波那樣快速的變化，卻幾乎暢通無阻。元件「是幾歐姆」，要先決定頻率才說得出來，這是交流電世界的重要觀念。

進一步學習

• 用語：變壓器 / 整流電路 / 功率因數 / 反電動勢 / 特性阻抗（在高速訊號的導線中會成為問題的阻抗）
• 用數字試試看：RC 時間常數計算工具 / 合成電阻、合成電容計算工具 / 波德圖計算工具
• 用表格看差異：轉換器與逆變器的差異 / 串聯與並聯的差異 / LDO與切換式穩壓器的差異
• 相關的解說：「時間常數RC是什麼？」 / 「分貝（dB）是什麼？」 / 「二極體是什麼？」 / 「類比IC是什麼？」