電磁気学
回路、オームの法則、電磁誘導
I = U/R の関係を目で確かめ(電子のドリフト密度)、ファラデー–レンツの法則を観察します。誘導電流の向きは、それを生んだ磁束の変化を常に妨げる向きです。 回路電流と誘導起電力を測定し、 および次の式を確かめます： .
器具
- 3D回路:単一抵抗、直列回路、並列回路
- 極性を反転できる仮想棒磁石
- 巻き数と磁場の強さを調整できるコイル
手順
直列回路と並列回路の電流を測る
3つの回路モードを切り替えます。直列回路では、U₁, U₂ を I·R₁, I·R₂ と比べます。並列回路では、I₁ + I₂ を足して、表示されている全電流 I と比べます。 観測した量を次の関係式と比較します： .
磁石の極を反転してレンツの法則を観察する
磁石を振動させ、左側の ε メーターを読みます。「極を反転」をクリックし、誘導電流の向き(青い点)が反転するのを観察します。磁石をコイルの中心で止めると、磁束 Φ が最大でも ε がほぼ 0 まで下がることを確認しましょう。 観測した量を次の関係式と比較します： .
誘導起電力を確かめる
磁石を速く、次にゆっくりコイルに通し、ε と誘導電流の向きを観察します。磁束が最大の位置で磁石を止めた場合と比べ、ε = −dΦ_B/dt を用いて静止時に ε がほぼ 0 になる理由を説明します。 表示された値を次の式と比較します： .
シミュレーション
実験の歴史
電気学は18～19世紀に電流や回路を定量的に調べることで発展しました。ゲオルク・オームは1827年に電圧、電流、抵抗の関係を発表し、後にマイケル・ファラデーの電磁誘導研究は、導線内の現象から電流と磁場の相互作用へ理解を広げました。ハインリヒ・レンツは誘導電流の向きを定める規則を示しました。その作用は原因となる磁束の変化を妨げ、エネルギー保存と整合します。
理想抵抗のオームの法則は I = U/R です。コイルの誘導起電力は ε = −dΦ_B/dt に従い、負号はレンツの法則を表します。回路を貫く磁束が変化すると電流が生じます。電圧と抵抗を変えて電子のドリフトを比べ、磁石の動きを変えて誘導電圧を観察します。電気信号が速く伝わる一方、電子のドリフトは遅く、アニメーションは定性的な傾向を示すだけで粒子の実寸や速度を表しません。磁石をコイルの中央で止めた場合と動かした場合を比べ、磁束そのものの大きさではなく、その時間変化が起電力を生むことを確かめましょう。