【高校物理】電磁気の定義・法則などのまとめ③！

高校物理の電磁気③の定義・法則などをまとめました。勉強に役立ててもらえれば幸いです。

電磁気まとめ ①
（電荷、電場、電位、導体、誘電体、コンデンサなど）
電磁気まとめ ②
（電流、電圧、電力、電気回路、磁場、電流と磁場など）
電磁気まとめ ③今ココ！
（電磁誘導、ローレンツ力、交流、電磁波など）
　
高校物理まとめ！

電磁誘導

電磁誘導とは、コイルなどを貫く磁束が時間的に変化するとき、その回路に電圧（誘導起電力）が生じる現象である。
誘導起電力の大きさは、磁束の変化の速さに比例し、ファラデーの電磁誘導の法則で表される。

レンツの法則

レンツの法則とは、電磁誘導によって生じる電流の向きは、その電流が生じた原因である磁束の変化を打ち消す向きになるという法則である。
すなわち、誘導電流は磁束の増加を妨げ、減少を補おうとする向きに流れる。

直流発電機

　直流発電機は、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。内部に回転するコイルがあり、磁場の中を通過すると電圧が発生する。

磁場を横切る導線

　導線が磁場を横切ると、その導線に電圧が生じます。これは、磁場の中での導線の動きが電磁誘導を引き起こすためである。例えば、磁石の間に置かれた導線を動かすと、導線に電圧が誘導される。

電磁誘導とローレンツ力

　磁場の中で導体が動くと導体内に誘導電流が発生し、その電流がローレンツ力を受けまる。

渦電流

　渦電流は変化する磁場の中で導体内に誘導される渦巻き状の電流である。例えば、金属板を磁場の中で動かすと、板内に渦電流が発生し、板の動きを妨げる力が働く。

自己誘導

　自己誘導はコイルに流れる電流の変化が、そのコイル自身に電圧を誘導する現象である。コイルに電流を急に流すと、その変化に反抗する電圧が発生する。

コイルに蓄えられるエネルギー

コイルに蓄えられるエネルギーとは、電流が流れることによってコイルの周囲に生じる磁場に蓄えられるエネルギーである。
インダクタンスを $L$ 、電流を $I$ Iとするとその大きさは下記で表される。
$$E=\frac{1}{2}LI^2$$

相互誘導

相互誘導とは、一方のコイルの電流が変化すると、その磁束の変化によって近くの別のコイルに誘導起電力が生じる現象である。
誘導起電力の大きさは、相互インダクタンスを $M$、電流の変化の速さを $\frac{dI}{dt}$とすると下記で表される。
$$E = -M\frac{dI}{dt}$$

変圧器

変圧器とは、電磁誘導を利用して交流の電圧を上げたり下げたりする装置である。
一次コイルと二次コイルの巻き数をそれぞれ $N_1$ 、 $N_2$ 、電圧を $V_1$ 、 $V_2$ とすると、理想的には $\frac{V_2}{V_1}=\frac{N_2}{N_1}$ の関係が成り立つ。

交流・交流回路

交流

　交流とは、電流や電圧の大きさと向きが時間とともに周期的に変化する電気である。
代表的な正弦波交流では、電圧や電流は時間の関数として $V=V_0\sin \omega t$のように表される。

交流発電機

交流発電機はコイルを磁場中で回転させ、電磁誘導によって交流の電圧を発生させる装置である。コイルの回転により、磁束が周期的に変化するため、起電力も正弦波状に変化する。

実効値

実効値とは、交流が抵抗で発生する熱の効果を、同じ大きさの直流に換算したときの電圧や電流の値である。
正弦波交流では、電圧の実効値は最大値を $V_0$ とすると $V=\frac{V_0}{\sqrt{2}}$ で表される。

コイルと交流回路

コイルを含む交流回路では、電流の変化を妨げる働きがあり、電流は電圧より位相が遅れる。
電圧の実効値を $V$ 、電流の実効値を $I$ とすると、 $V = I X_L$ 、ただし $X_L = 2\pi f L$ である。

コンデンサと交流回路

コンデンサを含む交流回路では、電荷の出入りによって交流電流が流れ、電流は電圧より位相が進む。
電圧と電流の関係は、 $V = I X_C$ 、ただし $X_C = \frac{1}{2\pi f C}$ である。

RLC直列回路

RLC直列回路とは、抵抗・コイル・コンデンサを直列につないだ交流回路で、電圧と電流の位相差が生じる回路である。
回路全体の関係は、 $V = I Z$ 、ただし $Z=\sqrt{R^2+(X_L-X_C)^2}$ である。

共振回路

共振回路とは、コイルのリアクタンスとコンデンサのリアクタンスが等しくなり、電流が最大になる状態を利用する回路である。
共振の条件は、 $X_L = X_C$ 、すなわち $f=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$ である。

振動回路

　振動回路とは、コンデンサの電気エネルギーとコイルの磁気エネルギーが互いに変換され、電流や電圧が周期的に変化する回路である。
その振動の周波数は、 $f=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$ で表される。

電磁波

電磁波とは、電場と磁場が互いに変化を誘起しながら空間を伝わる波である。電磁波は、真空中を光速で伝わり、波長や周波数によって光や電波などに分類される。

電波

　電波は、電磁波の一種で、通信に使われる周波数の電磁波である。ラジオやテレビ、携帯電話の通信は、電波を利用している。

まとめ

本記事では高校物理の「電磁気学」の定義や法則の③をまとめました。

電磁気学は日常生活で大きな役割を果たしています。例えば、スマートフォンやコンピュータ、テレビなどの電子機器はすべて電磁気の原理を利用しています。電力を送る電線や電気モーター、発電機も電磁気の応用です。電磁気の原理は、現代社会の多くの便利なものを支えている重要な学問です。

本記事で少しでも高校物理の「電磁気学」の学習に役立てていたら幸いです。

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高校物理の定義・法則などのまとめ！

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