コイルのある直流回路をスイッチ直後と定常状態で見る
の電池に の抵抗と のコイルを直列につなぎます。スイッチを入れた瞬間の電流は 、じゅうぶん時間がたつと になります。
コイルは電流の変化を嫌います。急に流そうとすると、それを打ち消す向きの起電力を出す[1]。
落ち着いてしまえば変化がないので、起電力も消えます。そのときのコイルは、ただの導線と区別が付きません。
電流の変化に逆らう
コイルに生じる起電力は、電流の変化率に比例します[1]。
は自己インダクタンスで、単位はヘンリー。マイナスは、変化を打ち消す向きを表しています。
電流が増えようとすれば減らす向きに、減ろうとすれば増やす向きに働く。
電流を から増やそうとする変化がいちばん急。コイルは断線と同じ振る舞いをする
電流が一定で変化がない。コイルは抵抗のない導線と同じになる
コンデンサーとはちょうど逆
同じ直流回路でも、コンデンサーとコイルは逆の振る舞いをします。
| 素子 | 入れた瞬間 | 時間がたったあと |
|---|---|---|
| コンデンサー | 導線とみなす | 切れた線とみなす |
| コイル | 切れた線とみなす | 導線とみなす |
どちらも、極端な 2 つの時刻では抵抗だけの回路に化けます。途中の様子を追わずに済むので、問題の多くはこの 2 点だけを聞いてきます。
入れた瞬間はコイルを切って回路を解く
じゅうぶん時間がたったあとはコイルを導線に置きかえる
必要なら時定数で途中の様子を見る
時定数
電流が最終値へ近づく速さは、時定数で決まります[2]。
が大きいほど、 が小さいほど、落ち着くのに時間がかかります。
で最終値の 63\ \mathrm{%}、 で 95\ \mathrm{%} に届きます。
例:6 V と 3 Ω と 0.30 H
時定数を出します。
最終的な電流は 。 で 、 で です。
入れた瞬間の変化率も出せます。電流が なので抵抗の電圧降下も 、電池の がすべてコイルに掛かる。
この勢いのまま増え続ければ、 で に届く計算です。実際は途中で鈍るので、そこまで速くはなりません。時定数の意味がここに現れています。
はじめの傾きのまま伸ばした直線が最終値と交わる点、それが 時定数 です。
の傾きで まで上がるのに要る時間が になる。
蓄えられるエネルギー
定常状態のコイルには、磁場のエネルギーが蓄えられています。
コンデンサーの と同じ形です。電圧の代わりに電流が入る。
このエネルギーは、スイッチを切った瞬間に行き場を失います。急に電流を止められないので、コイルは高い電圧を出して流れ続けようとする。
例:定常状態の回路を解く
の電池に を直列につなぎ、その先に とコイルを並列に置きます。コイルの抵抗は無視できるとします。
じゅうぶん時間がたったあとは、コイルを導線に置きかえます。 が短絡された形になる。
電流はすべてコイル側を通り、 には流れません。
スイッチを入れた瞬間はどうか。コイルを切って考えるので、 と の直列です。
同じ回路で、 から へ増えていきます。
例:スイッチを切る
定常状態から、電池を回路から外して抵抗だけの輪にします。電流は から へ落ちていく。
減り方も指数関数で、時定数は同じ です。
で 、 で まで下がります。
このあいだに抵抗で出る熱の総量は、コイルに蓄えられていた とちょうど同じ。電池は切り離されているので、ほかに供給元がありません。
例:ソレノイドのインダクタンス
の値は、コイルの形から決まります。長さ 、断面積 、巻数 のソレノイドなら次の形です。
巻数の 2 乗で効きます。磁場を作る側で に比例し、その磁束を受けとる側でもう一度 が掛かるためです。
、、 で計算します。
。 を作るには鉄心を入れるか、巻数をさらに増やします。
例:時定数を変える
同じ回路で抵抗だけを から へ増やします。
時定数は で 分の 1。落ち着くのは速くなります。
最終的な電流は で 分の 1。速く立ち上がる代わりに、値そのものは小さくなる。
時定数は短く、最終電流は小さくなる。両方が同じ倍率で動く
時定数だけが長くなる。最終電流は変わらない
時定数は変わらず、最終電流だけが比例して増える
検算のしかた
2 つの極端な時刻で、置きかえが正しいかを見ます。コイルは瞬間に断線、定常で導線。逆にすると答えが入れかわります。
時定数の単位も確かめます。 が になるはずです。
エネルギーの桁も見ておきます。 で、 と の 2 乗を掛ければ になります。
の電池に と のコイルを直列につなぎます。時定数と最終的な電流はどれですか。
- と
- と
- と
瞬間は切る、定常はつなぐ。この 2 つの置きかえだけで、コイルのある回路はふつうの抵抗回路に落ちます。
















τ=4.00.80=0.20 s、最終電流は 4.012=3.0 A です。3.2 s は L と R を掛けた値になります。