交流電化
欧州では1904年にジーメンスの手によりドイツ・バイエルン地方のムルナウ - オーベルアンメルガウで実施したのがはじまりである。欧州では当初は800 - 6000 V, 25もしくは26 Hz、続いて、5000 V, 16 2 3 {\displaystyle 16{\frac {2}{3}}} Hzを経て、15000 V, 16 2 3 {\displaystyle 16{\frac {2}{3}}} Hzに落ち着く。この規格は1912年にドイツ帝国のプロイセン、バイエルン、バーデンで幹線鉄道の標準電化仕様として採用され、現在でもドイツ、スイス、オーストリア、スウェーデン、ノルウェーの幹線鉄道で多用されている。独自の送電網を整備する必要があることや、変圧器が重くなるのがデメリットである。同様にアメリカでは1905年にウェスティングハウスの手によりインディアナポリスのインターアーバンで3300 V, 25 Hz電化を実施、その後、1907年にはニューヘブン鉄道で11000 V, 25 Hz電化が採用、他にもサウスショアー線(6600 V)、ペンシルバニア鉄道などでも採用された。 しかし、以降は同時期に開発された直流1200 - 3000 V電化で直流整流子電動機を使う方式が主流となり、交流電化はそれほど広まらなかった。
交流電化には、単相交流を使うものと、三相交流を使うものがある。さらに単相交流には商用周波数(50 - 60 Hz)を使うものと、その2分の1から3分の1の低い周波数を使うものがある。現在、主流は商用周波数の単相交流で、電圧は主に25 kVを使用する。
肥薩おれんじ鉄道では、路線そのものはJR九州から引き継いで20000 Vの交流電化である。しかし、自社の列車運行は維持経費を削減するため気動車を採用している。電化設備を残しているのは第2種鉄道事業者としてJR貨物・JR九州の列車を通過させるためで、このうち電気運転を行っているのは貨物列車のみである。北陸本線の新潟県内区間を引き継いだえちごトキめき鉄道日本海ひすいラインも、同様に自社の普通列車は気動車を使用しており、貨物列車とあいの風とやま鉄道とJR東日本からの直通列車のみが電気運転をしている。
また、2022年の西九州新幹線の部分暫定開業により、並行在来線として一般社団法人佐賀・長崎鉄道管理センターが施設を保有し、JR九州が列車を運行する上下分離方式に移行する長崎本線の一部区間のうち、肥前浜 - 諫早駅間については施設維持費節約の観点から電化設備を撤去し、気動車などの非電化列車で運行することが決定しており、並行在来線における初の電化設備の撤去事例となった。また、諫早 - 長崎駅(市布駅経由新線)も前述の肥前浜 - 諫早間の電化設備撤去により孤立した電化区間となり電車の運用が難しいことから、同様に非電化化を実施している。
ここに記述した路線および区間の多くは輸送密度の低い区間であるが、1両編成での運転ができる営業用の交流・交直流電車が2010年代の現在でも存在しないため、電車では最短でも2両編成にせざるを得ず、運行区間および時間帯によっては2両運転でも輸送力過剰になることがある。このため、交流電化区間において列車の1両編成運転を行なうには気動車運転しか選択肢がないのが現状である。
隣県の千葉県内を走る内房線では、柿岡と同様に地磁気への影響が問題となる鹿野山測地観測所近辺の区間を、同方式で直流電化している。
電車を使用しない例
国鉄時代には電化区間のみを走行する「架線下DC」列車が数多く存在し、非合理といわれたが、これも非電化区間との車両共用、既存の気動車の活用(高価な交直両用電車新製の抑制)が主な理由であったが、年々悪化する労使関係もその背景にあった。これらのような「電化区間の普通列車がすべて気動車」という例は、かつては湖西線近江今津 - 近江塩津・敦賀駅間直通運用および田沢湖線などにも見られ、郵便荷物輸送の問題もあって客車列車のみが電気機関車牽引という例が各地で見られた。郵便荷物輸送が廃止されて民営化された1987年(昭和62年)4月1日時点でも、東日本旅客鉄道(JR東日本)東北地区の路線(仙台支社エリアと常磐線を除く)を中心に、客車(電気機関車)と気動車を混用する運用が多かった。他の区間では非電化区間に隣接した電化区間で気動車を間合い運用・送り込み運用する程度の細々としたものになっている。
羽越本線では、村上 - 間島駅間に交直のデッドセクションが存在するが、管轄のJR東日本新潟支社は普通列車用の交直流電車を保有していないため、デッドセクションを通過する特急列車・貨物列車は双方の電源に対応した電車もしくは電気機関車による牽引であるが、普通列車はGV-E400系などの気動車を使用している。かつては電気機関車牽引の客車列車もあったが、動力近代化のため客車列車を廃止して機関車と客車を淘汰する方針により、すべて気動車に置き換えられた。
抵抗制御を用いた直流車では、主電動機に与える電圧を制御するため、抵抗器を用いて一部を熱として捨てていた。これに対し交流車では、電圧を直接制御できるタップ制御やサイリスタ制御が基本となっており、無駄なく電力を利用できる。