電磁誘導
先々週に電場、先週に磁場をやったので、今日はその二つの相互作用であるところの電磁誘導を考えた。
まずはネオジム磁石とLEDのついたコイルを使って実際に電磁誘導を起こす。
電磁誘導が起こっている様子は、授業では使わなかったが、でイメージを確認することができる。
この電磁誘導の起こる様子を理解するには、
自然は人間に逆らう
という考え方が役に立つ。たとえば、
のような考え方で電流がどう発生するかがわかる。
「人間に逆らう」を
のように力が逆向きに働くと考えてもいい。
この「逆向きの力が働く」というのはエネルギー保存則的にも大事なのである。というのは、「電流が流れる」ということは電流のエネルギーを誰かが供給しなくてはいけない。この「逆らう力」に対抗して磁石を動かす「手の力」がする仕事が、そのエネルギーの供給源なのである。こうして考えると「自然が人間に逆らう」というのは「電流を作る分のエネルギーの補給を求めている」という考え方もできる。
ついでに、センター試験で何年か前に出た手回し発電機の問題を聞いてみた。正確ではないが、
- 直結した場合
- 豆電球をつないだ場合
- 何もつながない場合
に、手応えのもっとも重いもの、軽いものはどれか？
というものである。
実はこの問題を出したときにはすでに「直結」と「何もつながない」は実感してもらった後なので、「豆電球をつないだ場合」がどこに入るかだけが問題となる。
これは実は直結がもっとも重く、何もつながないがもっとも軽く、豆電球がその中間に入る。
解答としては、
- 「手応えは電流で決まる」（電流が大きいということは、上の図で示した「逆らう力」が強くなる）ということを確認すること
- 電球という形でなくても、電流が流れればジュール熱という形でエネルギーは消費されていること
- 回す速さで電圧は決まるので、電流が大きいほど電力は大きいこと
さて、電磁誘導は、
- 磁石がコイルに近づいた場合
- コイルが磁石に近づいた場合
のどちらでも起こる。このうち、コイルが動く方の電位差の発生（起電力の発生）を、を使いながら、説明した。
つまり、二つの電磁誘導のうちコイルが動く方は、すでに知っている電流と磁場の力（ローレンツ力）で説明がつく。一方磁石の場合は「磁場の時間変化が電位差を生む」という新しい法則になっている。
どちらの場合も、
というのは同じである。
そして実は、コイルをとめて磁石を動かしたときと磁石をとめてコイルを動かしたときの発生する起電力は、相対速度が同じならば等しい（これは偶然ではないが、それは相対性理論によって解決される）。
ちょっと出来が悪くて困っている(^_^;)。