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ファラデーの法則の基本md b34b365
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ファラデーの法則ほうそくの基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_dcb6fd4a4cb3961160e642db766956b1descriptionファラデーの法則を磁束変化と誘導起電力の関係として定義し、導体棒の起電力、コイルの誘導起電力、レンツの法則を証明する講義である。prerequisites磁場と電磁誘導 / 荷電粒子の運動 / 直流回路の基本法則type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/electromagnetism/magnetic-fields-and-electromagnetic-induction.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/ac-circuits-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/introduction-to-maxwell-equations.lecture.n.md
physicselectromagnetismfaraday-lawinductionlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、電磁誘導でんじゆうどうが磁場じばそのものではなく、回路かいろを貫つらぬく磁束じそくの変化へんかによって生しょうじることを説明せつめいする。

磁束じそくは、B、面積めんせき、向むきのどれかが変かわれば変化へんかする。その変化へんかに応おうじて誘導起電力ゆうどうきでんりょくが生しょうじる。

2用語ようごと定義ていぎ

誘導起電力ゆうどうきでんりょくinduced electromotive force [PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E とは、磁束変化じそくへんかによって回路かいろに生しょうじる起電力きでんりょくである。

レンツの法則ほうそくLenz's lawとは、誘導電流ゆうどうでんりゅうの向むきが、原因げんいんとなる磁束変化じそくへんかを妨さまたげる向むきになるという法則ほうそくである。

3法則ほうそく:ファラデーの法則ほうそく

N 巻まきのコイルを貫つらぬく 1 巻まきあたりの磁束じそくを ΦB とすると、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E=-NdΦBdt

である。1 巻まきなら

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E=-dΦBdt

である。

4方針ほうしん

電磁誘導でんじゆうどうでは、先さきに

ΦB=∫SB→·dS→

を書かく。つぎに、何なにが時間変化じかんへんかしているかを分わける。

  1. B が変かわる。
  2. 面積めんせき S が変かわる。
  3. 面めんの向むきが変かわる。
  4. 巻数まきすう N が効きく。

5関係式かんけいしき 1:一様磁場いちようじばでの誘導起電力ゆうどうきでんりょく

一様磁場いちようじば B が面めんに垂直すいちょくで、回路かいろの面積めんせき S(t) が変化へんかするとき、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E|=B|dSdt|

である。

5.1証明しょうめい

磁場じばが面めんに垂直すいちょくで一様いちようなので、磁束じそくは

ΦB=BS

である。ファラデーの法則ほうそくより

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E=-dΦBdt=-d(BS)dt

である。B は一定いっていだから

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E=-BdSdt

となる。大おおきさを取とれば

|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E|=B|dSdt|

である。

6整理せいり 2:導体棒どうたいぼうの運動起電力うんどうきでんりょく

長ながさ ℓ の導体棒どうたいぼうが、棒ぼうに垂直すいちょくかつ磁場じばに垂直すいちょくな向むきへ速はやさ v で動うごくとき、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E|=Bℓv

である。

6.1証明しょうめい

導体棒どうたいぼうの中なかの電荷でんかは、棒ぼうとともに速度そくど v→ で動うごく。磁場じばによる力ちからは

FB→=qv→×B→

であり、仮定かていより棒ぼうの方向ほうこうを向むく。その大おおきさは

FB=qvB

である。電荷でんかが分離ぶんりして棒ぼうの中なかに電場でんば E が生しょうじ、定常状態ていじょうじょうたいでは

qE=qvB

となる。よって

E=vB

である。棒ぼうの両端りょうたんの電位差でんいさは

|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E|=Eℓ=Bℓv

である。

7関係式かんけいしき 3:自己誘導じこゆうどうの式しき

コイルの全磁束ぜんじそく NΦB が電流でんりゅう I に比例ひれいし、

NΦB=LI

と書かけるとき、誘導起電力ゆうどうきでんりょくは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E=-LdIdt

である。L を自己インダクタンスself-inductanceという。

7.1証明しょうめい

ファラデーの法則ほうそくは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E=-ddt(NΦB)

である。仮定かていより

NΦB=LI

である。L が一定いっていなら

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E=-ddt(LI)=-LdIdt

を得える。

8法則ほうそく 4:レンツの法則ほうそくはエネルギー保存ほぞんと整合せいごうする

誘導電流ゆうどうでんりゅうは、磁束変化じそくへんかを助たすける向むきではなく、妨さまたげる向むきに流ながれる。

8.1証明しょうめい

もし誘導電流ゆうどうでんりゅうが磁束変化じそくへんかを助たすける向むきに流ながれるなら、増ふえた磁束じそくがさらに強つよい誘導電流ゆうどうでんりゅうを生しょうみ、その電流でんりゅうがさらに磁束じそくを増ふやすことになる。この過程かていでは外部がいぶからの仕事しごとなしにエネルギーが増ふえ続つづける。

これはエネルギー保存ほぞんに反はんする。したがって誘導電流ゆうどうでんりゅうは、原因げんいんとなる変化へんかを妨さまたげる向むきに流ながれなければならない。これがレンツの法則ほうそくであり、ファラデーの法則ほうそくのマイナス符号ふごうに対応たいおうする。

9見分みわけ方かた

  • 起電力きでんりょくが問とわれたら、まず ΦB を書かく。
  • 導体棒どうたいぼうが動うごくなら Bℓv を疑うたがう。
  • コイルの電流でんりゅうが変かわるなら -LdI/dt を使つかう。
  • 向むきは「変化へんかを妨さまたげる」で決きめる。

10どこまで成立せいりつするか

ここでは回路かいろに沿そう起電力きでんりょくとして扱あつかった。より一般的いっぱんてきには、時間変化じかんへんかする磁場じばは渦うずをもつ電場でんばを作つくる。これはマクスウェル方程式ほうていしきの 1 つである。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E=-NdΦBdt
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E|=Bℓv
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")][PARSE ERROR: Undefined("Command(\"mathcal\")")]E=-LdIdt

12一言ひとこと

ファラデーの法則ほうそくでは、磁場じばそのものではなく、回路かいろを貫つらぬく磁束じそくの変化へんかを見みる。

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