D.4 · 誘導

この資料は、コースが 2025 に初めて評価された際のHLトピックの一部を扱っており、全カリキュラムではありません。

前提条件：指定された数量と単位を読み取り、算術および以下のモデル条件を使用すること。

これらの例は独自かつ架空のものであり、実際の測定値や実際の生徒による調査ではありません。

この観察を説明するのは何か？

• 導線のそばにある磁石が常に電流を発生させるわけではない。誘起起電力は、変化する磁束結合に依存する。

モデルを構築する

• 場（フィールド）とは、空間内の位置における力の作用を記述するものである。
• 磁場中に置かれた電流を流す導体には力が働くことがある。
• 磁束連結量の変化に伴って生じる電磁誘起である。
• 誘起：磁束連結量の変化によって起電力が生じる現象。
• トランスフォーマー：磁束の変化を介してコイル間でエネルギーを伝達する装置。

モデルを検証できる証拠を選ぶ

• 磁場強度、コイル面積、方向性または相対運動を変化させることで、磁束結合を変化させることができる。
• レンツの法則は、誘導効果が生じる変化に逆らうものであり、エネルギー保存則と一致する。

実験室で： コイルと高感度メーターを用いて、磁石を各方向に動かした際の比較を行う。静止状態では誘導信号が得られないことを記録する。モーターの実演には、承認された低電圧電源を使用すること。

既知の値から始める

• 既知：変圧器の一次巻数（ primary turns ）は 200 、二次巻数（ secondary turns ）は 50 、一次電圧（ primary voltage ）は 12 V である。
• 理想変圧器において、Vs/Vp = Ns/Np である。
• Vs = Vp × Ns / Np = 12 × 50 / 200 = 3.0 V 。
• 実変圧器もまたエネルギーを散逸する。

あなたの番： 理想変圧器があり、一次巻数 Np=400 、二次巻数 Ns=100 、一次電圧 Vp=20 V のとき、二次電圧 Vs を求めよ。

結論とその限界を確認する

• 変圧器には変化する磁束が必要であり、安定した直流入力は連続的な変圧作用を提供しない。
• 磁場の向きが自動的に力の向きとなるわけではない。

誤りである： 安定した直流入力が連続的な理想変圧作用を生むことはない。変圧器は電磁気誘導によって動作するため、変化する磁束が必要である。安定した直流は一定の磁束を生むため、瞬間的な通電時の変化の後は誘起起電力が発生せず、連続的な変圧作用は生じない。

重要：

• 場（フィールド）とは、空間内の位置における力の作用を記述するものである。
• 磁場強度、コイル面積、方向性または相対運動を変化させることで、磁束結合を変化させることができる。
• 注意すべき点：変圧器には変化する磁束が必要であり、安定した直流入力は連続的な変圧作用を提供しない。

二次電圧 8 V から式を立てる

• 理想的変圧器は一次コイル 250 巻、二次コイル 100 巻、一次電圧 20 V を持つ。
• 二次電圧を求める。安定した直流入力では理想的変圧器は動作しない。

ファラデーの二重化から記述する

• A coil's flux linkage doubles, either by doubling B or turning the coil to face the field.
• Induced emf depends on the RATE OF CHANGE of linkage — a doubled but then steady flux induces nothing after the change.

レンツの法則の方向から記述する

• 磁石の北極がコイルに近づく。
• 近い面が北極となり、接近を排斥する。レンツの法則とは、符号則を身に着けたエネルギー保存則である。