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電磁誘導と検流計の振れの計算

コイルに生じる電圧がコイルの巻き数と磁石を動かす速さのそれぞれに比例し、回路に流れる誘導電流(検流計の針の振れ)が(生じる電圧)÷(回路全体の抵抗)で決まること、磁石の極(N・S)や動かす向き(近づける・遠ざける)を 1 つ変えるごとに振れの向きが逆になることを使って、巻き数・速さ・抵抗・極・向きを変えたときの検流計の針の振れを、向きの符号(正・負)をつけて求められる

前提

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算数中学高校大学大学院

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  1. 回路の性質と計器の使い方 (中学理科 物理分野の用語と知識)
  2. 電流と磁界・電磁誘導の用語 (中学理科 物理分野の用語と知識)
  3. オームの法則 (中学理科 電流と電圧)
  4. 直列回路の電流・電圧・抵抗 (中学理科 電流と電圧)

説明

コイルに磁石を近づけたり遠ざけたりすると、コイルに電圧が生じて誘導電流が流れ、検流計の針が振れます。この技能では、基準になる実験の振れ(向きと目盛りの数)から、コイルの巻き数・磁石を動かす速さ・回路の抵抗・磁石の極・動かす向きを変えたときに、針がどちら向きに何目盛り振れるかを計算で求めます。向きは「右に振れたら正、左に振れたら負」のように符号で表すと、まとめて扱えます。

なぜそうしてよいのか

コイルの 1 巻きごとに、磁石の動きによって同じだけの電圧が生じると考えます。巻き数が 2 倍になれば、その電圧が 2 倍の数だけ直列につながるのと同じなので、コイル全体の電圧も 2 倍になります。また、磁石を速く動かすほどコイルの中の磁界が短い時間で大きく変わるので、生じる電圧は大きくなります。中学では、生じる電圧は速さに比例すると考えて計算します。まとめると、生じる電圧は「巻き数」と「速さ」のそれぞれに比例します。

コイルと検流計(と抵抗)は 1 本の道でつながった直列回路なので、オームの法則から、流れる電流は です。検流計の振れは電流に比例するので、振れの大きさは「巻き数 × 速さ ÷ 回路全体の抵抗」に比例します。

向きについては、実験の結果からわかるように、磁石の極を N から S に変えるか、動かす向きを「近づける」から「遠ざける」に変えると、電流の向きは逆になります。2 つとも変えると、逆の逆でもとの向きに戻ります。そこで、基準の振れに、変えたことがら 1 つにつき をかけると考えれば、向きを符号で正しく求められます。

手順

  1. 基準の実験の振れを、向きの符号つきで書く(例: 右に 4 目盛り → )

  2. 巻き数・速さが基準の何倍になったかを求め、振れの大きさにかける

  3. 回路全体の抵抗が基準の何倍になったかを求め、その倍数で割る(直列なら で全体の抵抗を求めてから比べる)

  4. 極(N・S)と動かす向き(近づける・遠ざける)のうち、基準から変わったものの数を数え、1 つにつき をかける(2 つ変われば で向きはもとのまま)

  5. まとめて、振れ 基準の振れ (巻き数の倍数)(速さの倍数)(抵抗の倍数)(向きの符号)を計算する

例題

巻き数 100 回のコイルに検流計をつなぎ、棒磁石の N 極をある速さでコイルに近づけたところ、検流計の針は右に 4 目盛り振れた。次に、同じ検流計を巻き数 300 回のコイルにつなぎかえ、棒磁石の S 極を同じ速さでコイルに近づけた。回路全体の抵抗は 2 つの実験で変わらないものとし、検流計の振れは流れる電流に比例するものとする。針が右に振れるときを正、左に振れるときを負として、2 回目の実験での針の振れ(目盛りの数)を符号をつけて求めよ。

例題の解答

手順 1(基準を符号つきで書く): 右に 4 目盛りなので、基準の振れは 。

手順 2(巻き数・速さの倍数): 巻き数は 倍、速さは同じなので 1 倍。振れの大きさは 目盛り。

手順 3(抵抗の倍数): 回路全体の抵抗は変わらないので 1 倍。 目盛りのまま。

手順 4(向きの符号): 極が N から S に変わり(1 つ変化)、動かす向きは「近づける」のまま。変わったものは 1 つなので、符号は 。

手順 5(まとめ): よって、針は左に 12 目盛り振れ、答えは 。

答え:

よくある誤り

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

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