電磁気学
変圧器と発電機
発電機と変圧器を一つのモデルで調べ、磁場と回転速度を変えて誘導起電力を測定します。 と変圧比 を確かめます。
⚠ 実機は危険な高電圧を使います。模型または絶縁された低電圧実験キットのみを観察してください。
器具
- 磁場中で回るコイル／一次・二次巻線の3Dモデル（2画面）
- 磁束密度/レベル・角度/速度のスライダー
- 各画面の起電力読み値と一時停止ボタン
手順
交流起電力を観察する
図1で回転コイルを動かします。磁束 が振動するため e(t) は周期ごとに符号を反転します。「一時停止」で山と谷を止めます。Φ 最大で e = 0、Φ = 0 で e 最大——起電力は磁束そのものでなく微分に比例します。
Bと速度への依存を検証する
速度一定で「磁束密度」を上げ振幅 e_max を記録します。B に比例します。B を保ち「角度/速度」を変えると の通り ω に比例します。二つの掃引で二組のデータが得られ、ファラデーの法則を定量的に検証します。
変圧比
図2で二次巻線が一次の共通磁束を拾う様子を見ます。「レベル」（巻数/強度）を変え両側の電圧を読み、 を確かめます。N₂ > N₁ で昇圧、N₂ < N₁ で降圧。理想では が保存します。
送電との結び付き
送電網が長距離送電前に昇圧する理由を説明します。損失 は電流の二乗で減り、U を上げ（電力一定で I を下げ）れば大幅に節約できます。選んだ巻数比の U₂・I₂ を予測し、モデルで確認します。
シミュレーション
実験の歴史
マイケル・ファラデーは1831年王立研究所で電磁誘導を発見しました。コイルを通る磁石の運動が瞬間的な電流を生じ、彼の「ファラデー円板」——最初の直流発電機——は磁極間で銅板を回しました。彼は原始的な変圧器も作りました。鉄環に二つの巻線を巻き、共通磁束が起電力を伝えることを示しました。
産業化は19世紀後半に進みました。ピクシー（1832年）とグラム（1871年）が実用発電機を作り、ゴーラールとギブス（1882年）、次いでジペルノフスキー–デーリ–ブラーティ（1885年）が交流変圧器を完成させました。「電流戦争」でウェスティングハウス–テスラの交流方式が高圧送電の効率で勝ち、今日の送電網の基盤です。