電磁気学
ファラデー・レンツの電磁誘導
ε = −N dΦ₁/dt を調べます。磁束変化率と巻数が起電力に影響し、負号はレンツの法則を表します。 磁束変化に対する誘導起電力を測定し、次の式を確かめます： .
⚠ 誘導のシミュレーションは仮想です。実物の磁石は精密電子機器や体内植込み型医療機器に近づけないでください。
器具
- コイル軸上を動き、ドラッグと極反転が可能な磁石
- 速度 v・巻数 N のスライダー、起電力・電流計
手順
速度と移動方向を変える
シミュレーションを動かし、磁石がコイルに近づき、遠ざかるときの起電力 ε と電流 I の計器を観察します。速度 v を上げて振れを比べ、巻数 N を増やすと信号が強くなることを確かめます。「極を反転」を押すか磁石をドラッグして磁束変化を逆にし、レンツの法則に従って ε と I の符号が変わることを確認します。 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
移動方向を固定し、磁石の速度、次に巻数 N を変えます。起電力の読みを記録し、式 と比べます。磁束変化が速いほど起電力の大きさが増します。
レンツの法則で符号を確認する
磁石の極または移動方向を反転し、計器の ε と I の符号を比べます。磁束変化の向きを記録し、誘導電流が原因となった変化を妨げる理由を説明します。 観測した量を次の関係式と比較します： .
シミュレーション
実験の歴史
イギリスの実験物理学者マイケル・ファラデーは、磁場が変化するとコイルに電流が生じることを観察し、1831年に電磁誘導を発見しました。磁石の運動、コイル、回路を調べ、場を表す「力線」の考えも発展させました。ジョセフ・ヘンリーもほぼ同時期に独立して誘導現象を発見し、これらの成果は発電機の基礎となりました。
ファラデーは誘導起電力が回路を貫く磁束の変化率に依存することを見いだしました。ハインリヒ・レンツは1834年、誘導電流はそれを生じさせた変化を妨げる向きに流れると述べ、ファラデー・レンツの法則の負号で表されます。N 巻きコイルでは ε = −N dΦ/dt です。符号は定めた法線と電流の向きに依存し、磁石の接近・離反だけで決まるものではありません。この現象は電気エネルギーを機械運動から得る発電機の原理となり、通信や電力供給を支える技術へつながりました。法則を式にするには、磁束の向きと回路の正方向を先に定める必要があり、実験の符号を一貫して説明できます。