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English

誘導起電力と磁束の変化率|単位時間あたりで決まる

の磁場の中にコイルを置いても、動かさなければ起電力は です。 しかない磁場でも、 秒で消えれば起電力が生まれます。

決めているのは磁束そのものではなく、 秒あたりどれだけ変わるかです[1]

回巻いた 角のコイルで、磁場が毎秒 ずつ減る場合を計算すると 。抵抗が なら が流れます[1]

磁束の定義

コイルを貫く磁束は、磁場と面積と角度で決まります[1,4]

は磁場の向きと面の法線がなす角。正面から貫くとき で最大、面が磁場と平行なら です。

単位はウェーバで、

起電力は変化率

回巻いたコイルに生じる起電力は、磁束の時間変化率に巻数を掛けた値になります[1]

マイナスは向きを表しています。大きさだけを問われる問題では、絶対値をとって進めて差し支えありません。

コイルを貫く磁束を で書く

どの文字が時間とともに変わるかを見分ける

その変化率に巻数を掛ける

変わりうるのは 3 つ

の右辺には、動きうる量が 3 つあります[4]

磁場の強さ 、面積 、角度 。どれが変わっても起電力は生まれます。

磁場が変わる

コイルは動かない。電磁石の電流を変えるか、磁石を近づける

面積か角度が変わる

磁場は一定。コイルを変形させるか、回す

問題を読むとき、まずこの 3 つのどれが動いているかを決めます。そこが決まれば、あとは割り算だけです。

例:磁場が減っていく

角のコイルを 回巻き、磁場に正面を向けて置きます。磁場が毎秒 の割合で減っていく場合です[1]

面積は 。変わるのは だけなので、変化率をそのまま掛けます。

コイルの抵抗が なら、流れる電流は

磁場が でも でも、減る速さが同じなら起電力は同じです。

例:面積が変わる

の一定の磁場の中で、1 巻きのコイルを引き伸ばします。面積が から で広がるとします。

。磁場は動いていないのに、起電力が生まれています。

例:角度が変わる

の磁場の中に、面積 のコイルを 回巻いて置きます。正面を向いた状態から 倒します。

はじめの磁束は 、終わりは

から へ落ちるぶんが、そのまま効いています。

角度を変える場合、起電力は 角度そのものではなく の変化率 で決まります。

の付近では がほとんど動かないので起電力は小さい。 の付近でいちばん急に変わる。

グラフから読む

磁束と時間のグラフが与えられる問題では、傾きを読むだけで起電力が出ます。

傾きが急なところほど起電力が大きい。水平な区間では です。

グラフの形磁束の変化起電力
右上がりの直線一定の割合で増える一定の値
水平変わらない
折れ曲がる点増減が切りかわる向きが反転する

折れ曲がる点の前後で、電流の向きが逆になります。傾きの符号が変わるためです。

巻数と面積と角度の効き方

実験で確かめるときは、1 つずつ変えて比べます[4]

巻数を 倍にすれば起電力も 倍。面積も同じで、比例します。

角度だけは が入るので比例しません。 倒しても で半分にとどまります。

磁束の値をそのまま起電力にする。変化率です。
巻数を掛け忘れる。1 巻きぶんの値のままになります。
角度の変化を、 そのものに比例させる。 です。
面積を のまま代入する。 です。
磁場が強ければ起電力も大きいと考える。変わらなければ です。

検算のしかた

単位を確かめます。 になるはず。 なので合います。

変化が止まった瞬間に起電力が になるかも見ます。ならなければ、変化率ではなく値そのものを使っています。

グラフの問題では、起電力のグラフが磁束のグラフの傾きになっているかを確かめる。段差のある形になるはずです。

回巻き、面積 のコイルを磁場に正面から向けて置きます。磁場が から で減るとき、起電力はどれですか。

__RESULT__

磁束の変化は で、変化率は 。巻数を掛けて です。 をそのまま使った場合の値になります。

磁束の式を書き、どの文字が動くかを決め、その変化率をとる。この順で進めれば、配置が変わっても同じ手順で答えが出ます。

参考

Faraday's Law. University Physics Volume 2, OpenStax.
Motional Emf. University Physics Volume 2, OpenStax.
Étienne Thibierge. *Champ magnétique, théorème d'Ampère*. Cours 17, PT, Lycée Blaise Pascal.
*Versuch E08: Das Faradaysche Induktionsgesetz*. Physikalisches Grundpraktikum, Universität Greifswald.
$1\ \mathrm{T}$ の磁場に置いても動かなければ起電力は $0$、$0.04\ \mathrm{T}$ でも $1$ 秒で消えれば起電力が生まれます。$\Phi = BA\cos\theta$ の右辺で動きうるのは磁場、面積、角度の 3 つ。まずどれが変わるかを決め、その変化率に巻数を掛けるだけです。$25\ \mathrm{cm}$ 角を $200$ 回巻いたコイルで磁場が毎秒 $0.040\ \mathrm{T}$ 減れば $0.50\ \mathrm{V}$。面積を広げる場合と角度を倒す場合の計算、角度が $\cos\theta$ で効くので $60^\circ$ でも半分にとどまること、磁束のグラフの傾きを読む手順まで。