コイルの誘導起電力についてですが、画像のようにコイル1、2か鉄心に巻いてある時、Iを流すとコイル2に

Question

コイルの誘導起電力についてですが、画像のようにコイル1、2か鉄心に巻いてある時、Iを流すとコイル2にはI2が流れますがその時aとbのどちらが電位が高いのかがよく分かりません。

解説では「コイルを電池に見立てるとbの方が電位が高くなる」と書いてありますが、私は
「電流は電位が高い方から低い方へ流れる」のでaの方が電位が高くなると考えました。

しかしたしかにコイルを電池と考えるとbのつけ根から電流が流れ出るのでbが高電位とも考えられます。

私の考え方のどこを間違えているのでしょうか。

tknakamuri · Accepted Answer

Iが増加してゆく途中でしか I2 は流れません　
という話は置いといて(^^;

この質問は結構いい質問です。決して言葉の
問題なんかじゃないのです。普通高校では言葉を濁して
教えないそうです。電磁気学の知識が必要だからです。

まず、電圧(電位)というのは電場に渦がないという
前提で定義されます。
しかし、ファラデーの法則やレンツの法則からわかるように
電磁誘導では電場を周回積分すると 0 にはならないので、回路上の
2点の電圧は ***定義できません ***。

ではわれわれが発電機やトランスの出力電圧と呼んでいるのは
何かというと、ab間のコイルを通らない経路に発生する電場の 
bからaまでの線積分値です。コイル内部の電場の積分ではないのです。

電磁誘導によりコイルに電場が発生し、その周回積分が
Vになるとしましょう(ファラデーの法則から簡単に求まる)。

導体の内部には電場は存在できないので、速やかに電荷が移動して
コイル内に電荷の偏りが生じて電場を打ち消し、
コイルの外部に電場が生じます。

この外部電場の積分値を発電機やトランスの出力電圧と呼んでいます。
＃これは厳密には電位ではありません。

この状態で、電場をコイルも含めて周回積分すると V ですが、
コイルの中に電場はないので、外部電場のｂからa への積分は V 
になることがわかります。つまり誘導電場とは逆方向の
「電場」「電圧」が外部に現れることになります。

より物理っぽく言えば、出力とは、コイルに生じた誘導電場を
打ち消すために生じた電荷の移動により発生する外部電場なのです。

aからbへの電流は、電荷の移動によって打ち消しきれなかった、
ほんのわずかな電場によって流れる　ということになります。
こちら(コイル内)の電場の積分値は非常に小さな値になります。

つまり、「電圧」を回路の特定部分の「電場の線積分値」に
置き換えれば、

質問者の言っていることは「間違っていない」ということになります。

fxq11011 · Answer

単に流すと・・ではなく、流した瞬間（電流が変化している間）だけの現象です。
電流の変化による磁力線の変化を打ち消す方向の起電力が発生します。
コイルを巻く方向が１、と２、では反対向きですね
コイル１には、図では上から下に電流が流れます、コイル２、同じ方向に巻いていれば、電流が流れる場合は逆の下から上bからaですが、逆方向に巻いていますのでaからbに流れることになります。
コイル内の起電力はa→bとなり外部観測ではbが高電位になります。

ORUKA1951 · Answer

＞この回答はコイル内部の(誘導起電力の)説明という事でいいでしょうか。
＞普通の回路では高電位→低電位に電流が流れるという事で
いいえ、そこが違うのです。とにかくその誤解を払拭してください。
　電池だろうが、誘導電流だろうが、
・電荷が移動する先が必ず＋なのです。
　　電荷が移動するからそこの電位が高くなる。
・電荷が高いほうから低いほうへ移動する。
　　当然、（つなげば）高くなったほうから低いほうに流れる。

この二つの日本語の意味は、まったく同じなのですよ。普通もへったくれもない。
　　　　　　　　　　　　　　￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣
問題の解説にも、わざわざ「コイルを電池に見立てるとbの方が電位が高くなる」とかいてある。
　数学にしろ理科にしろ、読解力国語力がないと理解できなくなるのですよ。漫画でない絵のない・・本をたくさん読んで言語能力高めないとなりません。

ORUKA1951 · Answer

＞「電流は電位が高い方から低い方へ流れる」のでaの方が電位が高くなると考えました。
は根本的な誤りをしている。
・どこに電流が流れると書いてありますか？？
・また、電流が流れていく先がプラスになるのですよ。
一番重大な間違いは、「電位が高い方から低い方へ流れる」です。どうして、そんな間違いをしてしまったのか、アンペールの法則の最初に戻って学びなおし復習しましょう。

1) 電荷が移動すると、その周囲に右回りの磁場が発生する。
2) 同じ向きの磁場は反発する。(小学校３年)
3) それによって、電荷が力を受けて移動しようとする。
　　電荷が移動しようとするので、そこは高電位になる。

化学電池でも内部で電流が移動しようとする先がプラス極だったでしょ。このとき端子が外部で短絡されていないときは電荷は力が加わっていても移動しない。

この順番で考えてもよいのですが、この場合はその結果であるレンツの法則を使ったほうが楽です。
1) 　スイッチを入れた瞬間に電流が流れ始めて上向きの磁場が発生する
2) その変化を打ち消す方向に磁場を発生させようと電流が流れる
　　　レンツの法則

★スイッチを入れた瞬間に電流がコイルにbからaに向かう発生しようとしますが、ab間が接続されていないために、電流自体は流れません。接続されていればaからbに電流が流れる。---そのときは内部（コイル）はbからaに電流が流れる。
　そして、やがて電流は停止する。---磁場の変化が終了するので---。電源側を切断したときは、今度は逆向きのー起電力が発生する。

shouga99 · Answer

＞「電流は電位が高い方から低い方へ流れる」のでaの方が電位が高くなると考えました。

それはコイルの外側での話しです。
コイル内での電流方向は当然 a→b 方向で、電位が低い側から高い側へ、という方向です。

これはコイルに限らず、起電力をもつものはこうなります。
例えば乾電池、乾電池内部の電流は マイナス極→プラス極方向です。

「起電力」とはポンプのようなもので、外から得たエネルギーを使い
吸入口から排出口に向けてむりやり水を流します。圧力は
吸入口＜排出口
です。

外から与えられたエネルギーのおかげで、高い場所のタンクに給水するなどの仕事ができます。
質問文の図の下のコイルが発生する起電力のエネルギー源は磁力、
乾電池のエネルギー源は中身の薬剤の化学エネルギーです。

ところで本質問とはちょっと離れますが、
下のコイルの起電力は、上コイルの電流および磁力が変化した時しか
発生しません。

yhr2 · Answer

＞Iを流すとコイル2にはI2が流れますが

a, b 間が「オープン」であれば電流は流れません。

＞「電流は電位が高い方から低い方へ流れる」のでaの方が電位が高くなると考えました。

だから「コイルを電池に見立てると」と書いてありますよね？　回路を構成した電池の中には、どちらの向きに電流が流れますか？　電池内部では「負極」から「正極」に向かって流れますよね？
能動素子としての「電池」と、受動素子としての「抵抗」で考えてみてください。コイルは「能動素子」に相当します。

angkor_h · Answer

a-b間に抵抗をつなげば、その電圧降下はa-、b+となることがわかると思います。
コイル1とコイル2は、上側から見ると巻き方向が逆なので、aがマイナスになります。

トランスでは、電圧印加側(一次側)では、+から電流が入り込みますが、
負荷側(二次側)では、＋から電流が出てきます。
なので、電流が出て来るbが＋になります。

トランスは交流を扱いますから、図は、交流入力の上＋の瞬間図になります。

コイルの誘導起電力についてですが、画像のようにコイル1、2か鉄心に巻いてある時、Iを流すとコイル2に

Iが増加してゆく途中でしか I2 は流れません

単に流すと・・ではなく、流した瞬間（電流が変化している間）だけの現象です。

＞この回答はコイル内部の(誘導起電力の)説明という事でいいでしょうか。

＞「電流は電位が高い方から低い方へ流れる」のでaの方が電位が高くなると考えました。

＞「電流は電位が高い方から低い方へ流れる」のでaの方が電位が高くなると考えました。

＞Iを流すとコイル2にはI2が流れますが

a-b間に抵抗をつなげば、その電圧降下はa-、b+となることがわかると思います。

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