インダクタンス

インダクタ(通常はコイルの形)は、多くの回路アプリケーションで一般的に使用されています。その目的は、定常電流が流れるときに磁気エネルギーを蓄えることです。

閉回路を形成するループでは、変化する磁場が電流を駆動する起電力を誘導します。この現象を電磁誘導といいます。インダクタは単にワイヤのコイルであり、端子間の電圧をそれ自体の磁場の変化に関連付ける自己インダクタンスの特性を持っています。

このビデオでは、インダクタンスの概念を説明し、バー磁石とコイルを使用した誘導実験を示します。最後に、インダクタの現在のアプリケーションの一部を確認します。

磁束は、領域を通過する磁場の量と考えることができます。領域Aに垂直な均一な磁場Bの場合、磁束ファイは単に2つの積です。ファラデーの誘導の法則によれば、ワイヤのループ内で変化する磁束は、ループに沿って起電力(EMF)を生成します。このEMFは、時間の経過に伴う磁束の変化率の負に等しくなります。

磁束の変化率によって、誘導起電力の極性が決まります。ファラデーの法則の式の負の符号は、磁場が時間とともに減少すると、EMFが正であることを意味します。時間とともに増加すると、EMFは負になります。ループが閉回路の場合、誘導されたEMFは電流を駆動し、電流はそれ自体の磁場を生成します。この磁場は、右手の法則によって与えられた向きを持っています。右手の指がループ内の電流の方向を中心に曲がっている場合、右手の親指は生成された磁場の方向を指します。誘導電流は、外部磁場の変化率に対抗する磁場を生成する方向に流れる必要があります。

たとえば、この磁石からの磁場は、ワイヤの 1 つのループを介して上向きになります。磁石をループから離すと、ループを通る磁場強度が減少します。下向きのベクトルで表される磁束の変化は、図に示すように電流を反時計回りに駆動する正のEMFを誘導します。右手の法則により、電流はループ内を上向きにする磁場を生成し、減少する磁場または磁束に対抗します。対照的に、磁石をループに向かって動かすと、ループの磁場が増加します。磁束の変化は、上向きのベクトルで表されます。この場合、電流を時計回りに駆動する負のEMFを誘導します。右手の法則では、この方向の電流は、増加する磁場または磁束に対抗するためにループ内を下向きにする磁場を生成します。

次に、ループからソレノイド、つまり空気または磁性材料のコアに巻かれた複数のワイヤーのループに移りましょう。電気回路で一般的に使用されるインダクタです。ソレノイドに電流が流れると、インダクタ内に磁場が発生します。この磁場の方向は、右手の法則によって与えられます。この磁場は、磁場と同じ方向に磁束を生成し、この磁束の量は電流に比例します。したがって、電流が時間とともに変化すると、磁束も変化します。ファラデーの法則に従って、変化する磁束は、コイルを流れる電流を駆動する電圧を誘導し、誘導電流の磁場が元の磁束の変化に対抗します。この、電流の変化に応答して自身の端子を電圧が誘導する現象は自己誘導と呼ばれ、ソレノイドの両端に誘導される電圧の合計は、Nの巻数に1つのループのEMFを掛けた値です。

基本を説明したので、物理学の実験室で電磁誘導を研究する方法を見てみましょう。

以下の実験はすべて、電流の流れの方向に応じてゼロ点の右または左に偏向する針を持つアナログバイポーラ電流計を使用しています。

まず、中空コアのソレノイド、N極とS極が明確にラベル付けされたロッド磁石、およびアナログバイポーラ電流計を入手します。次に、ソレノイドを電流計に接続します。最初の試行では、磁石の北極を電流計のマイナス端子に接続されたソレノイドの端に挿入します。電流計を観察し、針のたわみの極性とおおよその大きさを記録します。磁石をソレノイドから引き出し、電流計の針のたわみの極性とおおよその大きさを記録します。

次に、磁石を回転させ、電流計のマイナス端子に接続されたソレノイドの端にS極を挿入および取り外します。この実験を繰り返して、磁石のS極をコイルに挿入し、次に最初に取り外すことを、最初の試行よりもゆっくりと、次に速く繰り返します。北極がソレノイドに近づいて入ると、電流が誘導され、電流計が瞬間的に正のたわみを引き起こします。北極をソレノイドから取り外すと、たわみは負になります。磁石の向きを逆にすると、電流計の応答も逆になります。

最後に、移動速度は時間に伴う磁場の変化に影響を与え、それが誘導電圧と電流を決定します。動きが遅いほど電流が少なくなり、読み取り値が小さくなり、動きが速いと電流が多くなり、読み取り値が大きくなります。

自己インダクタンスの実験は、図のように電球、インダクタコイル、正1ボルトに設定された電源電圧、スイッチ、アナログ電流計を接続します。スイッチを開いた状態で回路を組み立てて、電流が流れないようにします。

スイッチを閉じて、巻源を電球とインダクタコイルの両方に接続します。薄暗く見える電球を観察します。スイッチを開いてボリュームを切断しますtage供給を回路から。スイッチを開いた瞬間に電球と電流計を観察し、結果を記録します。電球が一瞬明るくなり、同時に電流計は正の値を示します。これは自己誘導によって起こり、この短い期間にいくつかのイベントが発生します。

最初に、スイッチが閉じているとき、電流はコイルと電球の両方を流れますが、コイルは電球に比べて抵抗が低いため、電球に比べてコイルにはるかに多くの電流が流れます。スイッチを開くと、電圧源が切断されます。これにより、インダクタを流れる電流が減少します。

このインダクタを流れる電流の変化により、インダクタの磁束が変化し、元の電流と同じ方向に流れることにより、減少に対抗する過渡電流が誘導されます。元の電流と過渡電流の2つの組み合わせにより、インダクタ電流の合計が生成され、電球を流れて短時間点灯すると同時に、電流計にたわみが発生して正の電流を示します。

電磁誘導は、最新のデバイスで多くの用途があり、物理的な接触なしにエネルギーと情報を転送するための基本的な方法です。

誘導は、トランスと呼ばれるデバイスの機能の背後にある中核的な原理です。トランスには、一次巻線またはコイルに接続された一対の入力端子と、二次巻線に接続された一対の出力端子があります。鋼、フェライト、または単に空気からなるコアは、2つの巻線を磁気的に結合します。一方の巻線に電圧がかかると、その巻線に電流が流れ、磁場が発生します。次に、磁束、つまり磁場の密度がコアを介して二次巻線に結合され、そこで電圧が誘導されます。この原理は相互帰納と呼ばれます。

インダクタの別の用途は、そのシンプルさ、堅牢性、信頼性により、現代産業の主力製品であるAC誘導モーターです。誘導電動機には2つの主要部品しかありません。1つ目は、ステーターと呼ばれる固定部分で、キャビティの周りの固定コイルで構成されています。キャビティに吊り下げられているのはローターで、これは円筒状のバー配置をキャッピングする一対のエンドリングです。三相AC誘導電動機は三相電力を使用し、各相は独自の個別の固定子コイルのセットに接続されています。コイルは、供給された電力の各相に対して1つの磁場を生成するパターンに配置されています。結果として生じる「固定子磁場」と呼ばれる正味の磁場は、一定の速度で回転します。

回転する磁束は、変圧器が一次コイルから二次コイルに電力を転送するのと同様に、ローターに電流を誘導します。ローターのバーを流れる電流は、「誘導ローター磁場」と呼ばれる独自の磁場を生成します。これら2つの磁場間の相互作用により、ローターに力がかかり、ローターは、鉄棒が周囲の磁石を追うように、固定子の磁場に追従します。

JoVEの電磁インダクタンスの紹介をご覧になりました。これで、時間変化する磁場が導体に起電力を誘導する仕組みと、結果として生じる電流が独自の磁場を生成する方法を理解できたはずです。ご覧いただきありがとうございます!