基礎からの電験3種【理論-電磁気(電磁誘導)】

電験3種の理論で出題される電磁誘導について、初心者の方でも解りやすいように、基礎から解説しています。このe-ラーニング講座では電磁誘導について、わかるようになるのが目的です。また、電験3種の試験で、実際に出題された過去問題も解説しています。

レンツの法則とファラデーの法則

コイルに電流を流せば、磁界が発生します。その逆として、コイルの中の磁界を変化させると電流が流れます。コイルと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るということです。この現象を「電磁誘導」といいます。また、発生した電圧を「誘導起電力」、流れた電流を「誘導電流」といいます。

レンツの法則

レンツの法則

コイルCにN極を近づけると、コイルを貫く下向きの磁束が増加します。このとき誘導電流による磁界が上向きになるように誘導電流が流れます。

N極をコイルから遠ざけると、コイルを貫く下向きの磁束が減少します。このとき誘導電流による磁界が下向きになるように誘導電流が流れます。

このように、誘導起電力によってコイルに流れる誘導電流が作る磁束は、元の磁束の変化を妨げる方向になります。コイルは磁石が近づいてくると反発し、遠ざかると引き付ける方向です。この法則をレンツの法則といいます。

ファラデーの電磁誘導の法則

時間 $Δt $[s] の間に コイルを貫く磁束が $ΔΦ$ [Wb] だけ変化するとき、$N$巻きのコイルに発生する誘導起電力  $V $[V] は、次のように表されます。
 
 $V=-N\displaystyle\frac{ΔΦ}{Δt}$

マイナスがつくのは、レンツの法則で磁束の変化を妨げる方向だからです。

 

電磁誘導の法則は

  • 磁石を速く動かすほど
  • 磁石の磁力が強いほど
  • コイルの巻き数が多いほど

発生する誘導起電力は大きくなります。電磁誘導は発電の原理となっています。

磁界を横切る導体に生じる誘導起電力

フレミングの右手の法則

導体が移動する空間の磁束密度をB[T]、導体の長さをl[m]、導体の移動速度をv[m/s]、磁力線と移動方向の角度をθとすると、誘導される起電力の大きさV[V]は、次のように表されます。
 

$V=-\displaystyle\frac{ΔΦ}{Δt}=-\displaystyle\frac{B×l×v×Δt×sinθ}{Δt}=-Blvsinθ$

フレミングの右手の法則を使うと「起電力」「磁石による磁界の向き」「運動の向き」のそれぞれの方向を簡単に知ることができます。

フレミングの左手は電動機、右手は発電機の原理です。混同しないようにしてください。

電験3種-理論(電磁気)過去問題

1997年(平成9年)問2

巻数30のコイルを貫通している磁束が0.1秒間に1[Wb]の割合で変化するとき、コイルに発生する起電力[V]の大きさはいくらか。正しい値を次のうちから選べ。

(1)250 (2)300 (3)350  (4) 400 (5) 450

1997年(平成9年)問2 過去問解説

誘導起電力 $|V| $[V] は

$V=N\displaystyle\frac{ΔΦ}{Δt}=30\displaystyle\frac{1}{0.1}=300$

答え(3)

2001年(平成13年)問1

磁束密度2[T]の平等磁界が一様に紙面の上から下へ垂直に加わっており、長さ2[m]の直線導体が磁界の方向と直角に置かれている。この導体を図のように5[m/s]の速度で紙面と平行に移動させたとき、導体に発生する誘導起電力[V]の大きさとして、正しいのは次のうちどれか。

2001年問1

(1)5 (2)10 (3)16 (4)20 (5)50

2001年(平成13年)問1 過去問解説

誘導される起電力の大きさV[V]は、

$V=Blvsinθ=2×2×5×1=20$[V]

答え(4)

2004年(平成16年)問3

図1のように磁束密度 B=0.02[T]の一様な磁界の中に長さ 0.5[m]の直線状導体が磁界の方向と直角に置かれている。図2のようにこの導体が磁界と直角を維持しつつ磁界に対して 60°の角度で、矢印の方向に 0.5[m/s]の速さで移動しているとき、導体に生じる誘導起電力 e [mV]の値として、最も近いのは次のうちどれか。

2004年問3

2004年(平成16年)問3 過去問解説

誘導される起電力の大きさV[V]は、

$V=Blvsinθ=0.02×0.5×0.5×sin60=4.3$[mV]

答え(3)

理論電験3種
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