電磁誘導とは? レンツの法則・フレミングの右手の法則とは?

磁石でつくられる電流

釘のような軟鉄の棒に、エナメル線をまいて電流れを流すと
軟鉄の棒が磁石になります。

それで、この反対に磁石で電気を起こすことが
できないだろうかと考えたのが、イギリスのファラデーでした。

ファラデーは、つぎのような実験をして
発電機の原理である電磁誘導を、1831年に発見しました。




ファラデーの実験

ファラデーのはじめの実験は、つぎのようなものでした。
下の図のように、鉄の輪のまわりに、A・B二組みのコイル
(導線を螺旋状にまいた物)をつくりました。

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Aのコイルは、スイッチを通して電池にBのコイルは検流計
(わずかな電流でも感じるようにした感度のよい電流計)につなぎます。

① スイッチを入れたり、切ったりすると
そのたびにコイルに電流が流れて、検流計の針が動く。

② スイッチを入れたときと、切ったときとでは
コイルBをながれる電流の向きが、反対になる。
このことは、検流計の針の動き方でわかる。

しかし、スイッチを入れたままでは、コイルBには電流が流れない。
この実験の結果を、ファラデーは、つぎのように考えました。

「スイッチを入れるとコイルAに電流が流れ、鉄の輪の中に磁界ができる。
スイッチを切ると、磁界はなくなる。

この磁界は、コイルBの中も通っているので
スイッチを入れたり、切ったりすることによってコイルBの中の
磁界もできたりなくなったりする。

しかし、コイルBに電流が流れるのは、コイルの中に
磁界があるかないかによるのではなく
この磁界が変化したかしないかによる。

そして、磁界が増えたときと、減ったときとでは
反対の向きの電流が流れる」

このファラデーの考え方は、まえの実験の結果を、うまく説明しています。

電磁誘導

ファラデーの実験では、コイルに電流を流して、磁界をつくりました。
しかし、電磁誘導を起こすには磁界を変化させてやればよいのですから、
もっとかんたんな磁界をつくる方法に、磁石を使う方法があります。

コイルのそばに磁石をおいて、この磁石を動かしても
反対に、磁石をそのままにして、コイルを動かしても
やはり同じようにコイルに電流が流れます。

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また、上の図のようにしてコイルに入れる磁石の動かす速さをかえたり、
コイルのまき数をかえたりしてみると、コイルに流れる電流がかわり
検流計の針の動き方がかわります。

磁石を動かす速さが速いほど、またコイルのまき数が多いほど
コイルに大きな電圧が起こり、多くの電流が流れます。

このように、磁界の変化でコイルに電圧ができ
電流が流れることを電磁誘導と言い
電磁誘導でできた電流を誘導電流と言います。

発電機は、この電磁誘導の原理を利用して電気を起こしています。

いままでの説明から、電磁誘導を起こすための
磁界の変化には2つの方法があります。

その1つは、2つのコイルを用いて、1つのコイルの電流を変化させて
もう1つのコイルに交わる磁界を変化させる方法でありもう1つは
一定の磁界(つくり方は、永久磁石でも電磁石でもよい)のもとで
コイルの位置を変化させ、コイルと交わる磁界を変化させる方法です。

電磁誘導でコイルにあらわれる電圧は、磁界の変化に比例します。

このときに流れる電流は誘導電圧に比例し
誘導電流が流れる回路の抵抗に反比例します。

レンツの法則

誘導電流の流れる方向は
コイルの中の磁界の変化をさまたげるような方向になります。
これはドイツの物理学者レンツが発見したので、レンツの法則と言います。



フレミングの右手の法則

右手の人さし指・親指・中指がそれぞれ直角になるようにして
人さし指が磁界の向き、親指が導線の運動の向きとすれば
導線の中には、中指のさす向きに電流が流れます。

このような法則を、フレミングの右手の法則と言います。

いままでは、電磁誘導を受けるものがコイルでしたが
これが1本の導線である場合にはフレミングの右手の法則に
したがった現象が起きます。

この場合、導線に生じた電流と磁界の間には力がはたらきます。
その力は、フレミングの左手の法則によるわけで
導線の動く向きと反対向きにはたらきます。

言いかえると、導線の中を流れる電流は
運動をさまたげる向きに流れるということができます。

ファラデーの実験では、1つのコイルの電流を変化させると
もう1つのコイルには交わっている磁界の変化をさまたげるような
向きに電流が流れます。

うず電流

電磁誘導を受けるものがコイルでも導線でもなく
銅板であったら、うず電流という現象が起きます。

そこで、銅板のまえで磁石を動かす場合を考えてみましょう。
図のように、S極を左へ動かすとS極がまえのほうに
フレミングの右手の法則により、回転するように流れるうず電流が生じます。

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このうず電流は磁石の運動方向に対してまえのほうにS極が
また、うしろのほうにN極ができるような流れ方をします。

銅版を動けるようにしておけば、磁石のS極と銅板にできる極とが
反発・吸引して銅板は左に動きます。

つまり、銅板が磁石に引かれる力となるわけで
これが誘導電動機の原理です。

実験

電気の実験で、電圧があるかどうかを調べるのに
便利な器械に、テスターという検流計があります。

このテスターと模型用の電動機2個を使って、発電機の実験をしてみましょう。

左の図のように電動機2個の回転軸をつないで
いっしょに回転するようにします。

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まず、電動機に電池をつなぎ、それぞれまわることを確かめておきます。

図のように、1つの電動機の電機子は別に電池につなぎ
ブラシの間にテスターをつなぎます。
テスターのつまみを直流電圧の1ボルトくらいの位置におきます。

別の電動機を電池につないで回転させると
テスターの針が、わずかですが動きます。
もし、反対方向に針が動くときには、テスターのつなぎ方を反対にします。

この実験から、電動機の界磁に電流を流しておき
電機子を外からの力でまわすと電圧が起きることがわかります。

発電機のしくみは、このことを応用したものです。







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