電磁誘導
下図のように、静止してあるコイルに向かって磁石を近づけたり遠ざけたりすると、コイルに電流が流れます。あるいは、固定した磁石に対してコイルを近づけたり遠ざけたりしても、同様にコイルに電流が流れます。
これは、コイルの中を貫く磁束の量が変化することで起電力が生じるためで、この現象を電磁誘導といいます。
電磁誘導は、磁束が「ある」ことではなく、磁束が「変化する」ことによって起こるので、コイルに磁石を近づけている間は電磁誘導が起こりますが(コイルに電流が流れますが)、一度近づけた磁石をそのまま置いておいても、もう起電力は生じず、その状態ではコイルに電流は流れません。
誘導起電力とファラデーの法則
電磁誘導によって発生する電圧のことを誘導起電力といい、その大きさは以下の式で表されます(以下の「Δ(デルタ)」は差を表す記号なので、ΔΦは磁束そのものではなく、磁束の変化量を示します)。
- E：誘導起電力[V]
- N：巻数
- ΔΦ：磁束の増加分[Wb]
- Δt：時間[s]
上式のように、誘導起電力は磁束の増加分(変化量)に比例する、という法則をファラデーの法則といいます。
(余談)
電気分解の計算(ファラデーの法則)のページで紹介している通り、電気分解の分野においてもファラデーの法則が存在します。電磁誘導と電気分解の話は全く別物であるので、それらを区別するため、それぞれをファラデーの電気分解法則とか、ファラデーの電磁誘導の法則とか呼ぶ場合があります。
(余談おわり)
レンツの法則
磁束の量が変化すれば、それが増えても減っても電磁誘導は起こるのですが、磁束が増えるのか減るのかによって、誘導起電力の向き(流れる電流の向き)は変わってきます。電磁誘導の向きは、磁束の変化を妨げるような方向に電流が流れると考えてください。
たとえば、以下の図のように磁石のN極をコイルに近づけた場合、磁束の変化を減らすためにはコイルの側では画面右側をN極、画面左側をS極となるように電流が流れれば、近づいてくるN極の勢いを妨げることができます。
そのようになる電流の流れ方は、右ねじの法則を使えば上図赤色で示した矢印の方向であることがわかります。この電流の方向が決まれば、それに応じて誘導起電力の向きも決まります。
以上のように、電磁誘導によってコイルに生じる誘導起電力は、誘導起電力によって生じる電流がコイル内の磁束の変化を妨げる向きとなるように発生しますが、このことをレンツの法則といいます。
フレミングの右手の法則
電磁誘導の原理を実用化したのが直流発電機で、磁界と物理的な力(導体の運動)から電力を生み出しています(上で示した図では固定した導体に向けて磁石を動かしましたが、固定磁石に対して導体を動かしても同じことです)。この場合の3つのパラメータである導体の速度v・磁界B・誘導起電力Eの向きは、フレミングの右手の法則に従います。
フレミングの右手の法則についてはフレミングの左手の法則、右手の法則のページでも解説していますが、これは、右手の親指と人差し指と中指を互いに直交させたとき、指の向きと導体の速度v・磁界B・誘導起電力Eとが以下のように対応するという法則です。
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