電磁誘導とは
電磁誘導は、周囲の磁場を変化させることによって導体内に電流を生じさせる現象を説明する電磁気学の基本原理です。この現象は1831年にマイケル・ファラデーによって初めて発見され、後にジェームス・クラーク・マクスウェルによって数学的に記述されました。
電磁誘導の基本理論と法則
ファラデーの電磁誘導の法則：1831年にマイケル・ファラデーによって発見されたこの法則は、閉回路の導線に誘導される起電力（EMF）は、そのループを通過する磁束の変化率に直接比例すると述べています。数学的には以下のように表されます：
EMF = -dΦB/dt
ここで、EMFは誘導される起電力（ボルト単位）、dΦBは磁束の変化（ウェーバー単位）、dtは時間の変化（秒単位）を表します。
レンツの法則：1834年にハインリヒ・レンツによって発見されたこの法則は、エネルギー保存の原理の結果としています。誘導されたEMFとその結果として生じる電流の方向は、それを引き起こした磁束の変化に反対するものであると述べています。レンツの法則は、ファラデーの法則の方程式における負の符号によって表されます。
電磁誘導の応用
電磁誘導は、技術と産業のさまざまな分野で多くの応用を持っています。最も一般的な応用のいくつかを以下に示します：
- 電気発電機：これらの装置は、磁場内で導線のコイルを回転させることによって、機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。コイルが回転すると、コイルを通る磁束が変化し、起電力（EMF）を誘導して電流を生成します。
- トランスフォーマー：交流（AC）回路において電圧と電流のレベルを変更するために使用されます。これらは、共通の磁性コアの周りに巻かれた2つの導線コイル（一次および二次）で構成されています。一次コイルを通るAC電流が変化する磁場を生成すると、それによって二次コイルに電圧が誘導されます。
- 誘導電動機：産業や家庭用電化製品に広く使用されています。ローターに電流を誘導し、それがステーターの磁場と相互作用してトルクを生み出します。ローターは直接電源に接続されていないため、他のタイプの電動機に比べて誘導電動機は信頼性が高く、保守が容易です。
- 誘導充電：この技術は、電磁誘導を使用して充電ステーションと充電されるデバイス（例えば、スマートフォンや電気自動車）の間でエネルギーをワイヤレスで転送します。
簡単な例
銀河計と接続されたソレノイド（導線のコイル）を用いた簡単な実験設定を想像してください。ソレノイドは外部電源に接続されていません。これで、棒磁石を北極がコイルを向くようにしてソレノイドに向かって素早く動かします。磁石が近づくにつれて、ソレノイド内の磁場が変化します。ファラデーの電磁誘導の法則によれば、この磁束の変化はソレノイドに起電力（EMF）を誘導し、電流が生じます。ソレノイドに接続された銀河計は偏向を示し、誘導電流の存在を示します。
