この実験について
電池がなくても、磁石を針金のコイルに押し込むと電流が流れます。磁石を止めると電流も止まり、磁石を引き抜くと電流は逆向きに流れます。1831年、マイケル・ファラデーは、コイルを貫く磁場が変化すると電圧が誘導されることを発見しました。磁石を手で動かしたり、ばねに取り付けて動かしたり、まっすぐ通したりして、電流計の値、磁束、誘導起電力が速度、巻き数、磁石の強さによってどのように変わるかを観察しましょう。
学習目標
- コイルを貫く磁束の変化によって起電力が誘導される仕組みを説明してください。
- 誘導起電力の大きさが、速度、巻き数、磁石の強さによってどのように変わるかを説明してください。
- レンツの法則を使って、誘導電流の向きを予測してください
- 起電力を、時間に対する鎖交磁束のグラフの傾きと関連づけましょう
- 発電機やダイナモがどのように電気をつくるのか説明しましょう
使い方
- 1「手で」を選びます。磁石をコイルに押し込み、そのまま動かさずに保ち、次に引き抜きます。針が動くのはいつですか？
- 2磁石をより速く動かします。電流の大きさはどうなりますか？
- 3「ばねに取り付ける」を選びます。2つのグラフを比べましょう。起電力が最大になるのは、磁束が最大のときですか、それとも磁束が最も速く変化するときですか？
- 4巻き数を2倍にし、次に磁石の強さを2倍にします。それぞれの場合、起電力のピーク値はどのように変化しますか？
- 5「押し通す」を選び、コイルの両端にあるNとSの文字を観察します。コイルは磁石を押し返しますか、それとも引き戻しますか？
- 6磁石の向きを変えて、同じ操作を繰り返します。電流の向きはどうなりますか？
モデル
前提条件
- 磁石はコイルの軸上にある磁気双極子として扱います。これは磁石がコイルよりそれほど大きくない場合には正確ですが、磁石のすぐ近くでは実際の磁場はより弱くなります。
- コイルの長さは4 cm、半径は2 cmで、巻き線はその長さに沿って均等に配置されています。
- 磁気制動は無視します。コイルに流れる電流によって磁石の速度が落ちることはありません。また、コイルの自己インダクタンスも無視します。
- 手で動かすと、磁石は指針に滑らかに追従するため、その速度は動かす速さによって決まります。
授業で試してみましょう
- Q1どれほど強い磁石でも、コイルの中で静止させておくと電流が流れないのはなぜでしょうか？
- Q2磁石がコイルを通過すると、起電力には符号が反対の2つのピークが現れます。なぜか説明してください。
- Q3コイルがランプにつながっているとき、磁石をコイルに押し込むのにより大きな力が必要になる理由を、レンツの法則を使って説明してください。
- Q4自転車のダイナモは、速く走るほどランプが明るく点灯します。なぜでしょうか？
- Q5巻き数が2倍でも、より細い線で作られたコイルでは電流も必ず2倍になるとは限らないのはなぜでしょうか？
よくある質問
磁束と磁束鎖交数の違いは何ですか？
磁束とは、コイルの1巻きを通過する磁場の量です。磁束鎖交数は磁束に巻数を掛けた NΦ です。各巻きで起電力が直列に加わるためです。
磁石がコイルの中央にあるとき、なぜ起電力はゼロになるのでしょうか？
その瞬間、磁束は最大ですが変化していません。少しどちらかに動かしても、磁束はほとんど変わりません。起電力は磁束の大きさではなく、磁束がどれだけ速く変化するかに依存します。
電気エネルギーはどこから来るのでしょうか？
磁石を動かすためにあなたがした仕事から生じます。レンツの法則によれば、誘導電流は常に運動を妨げる向きの磁力を生み出すため、磁石を動かし続けるには押し続ける必要があります。このモデルでは、その力は磁石の速度を目に見えて遅くするほど大きくありません。