電磁誘導とレンツの法則

【HEVの充電の原理】電磁誘導とレンツの法則【ニッケル水素電池・リチウムイオン電池】

 

現在普及しているハイブリッド自動車(HEV)から徐々に普及しつつあるEV(電気自動車)、PHEV(プラグインハイブリッド自動車)などには充放電が可能な二次電池が使用されています。

 

HEVにはニッケル水素電池が主に使用されていますが、自動車の軽量化、電池使用スペースの小型化が求められており、より高いエネルギー密度を有するリチウムイオン電池の導入が検討されつつあります。

 

特にHEVにおいて走行中からブレーキをかけ停止させる際に、このページで解説の電磁誘導の原理を使用して、ニッケル・水素電池やリチウムイオン電池に電気エネルギーを充電し、再利用できる仕組みになっています。

 

他にもIHコンロなどにもこの電磁誘導の仕組みは利用されており、きちんと理解しておきましょう。

 

こちらのページでは高校物理における

 

・磁束密度と磁束

 

・電磁誘導とは?

 

・レンツの法則とは?

 

というテーマで解説しています。

 

(※電磁誘導における誘導起電力の大きさはファラデーの電磁誘導の法則のページで解説しています)。

 

 

磁束密度と磁束

電磁誘導という言葉をご存知でしょうか?

 

電磁誘導は、身近なところですとIHコンロやモータなどに使用されており、コイル(導線をぐるぐると巻いたもの)を貫く磁束の変化により、電圧(誘導起電力)が発生する現象のことを指します。

 

この電磁誘導を解説する前の前知識として、関係の深い磁束と磁束密度について解説します。

 

磁束密度は磁束線の数で表現できる、つまり磁束線が多いほど磁束密度が大きいです。

 

また、磁束密度の定義は単位面積(1m^2)当たりにB本の磁束線が貫くというものです。

 

よって磁束は面積の大きさSm^2を貫く磁束線の数といえ、磁束φ=磁束密度B × 面積S で表されます。

 

 

 

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電磁誘導とは?

それでは、本題の電磁誘導について解説します。

 

まず、解説前にコイルという言葉が出てきますが、コイルとは導線をグルグルと巻いたもののことです。

 

そして、電磁誘導とはコイル貫く磁束が変化することにより、コイル自身に電圧が発生、電流が流れる現象のことです。

 

身時な例ですと磁石をコイルに近づけたり、遠ざけたりすることで電磁誘導が発生します(下に具体例を記載しています)。

 

電磁誘導により発生する電圧のことを誘導起電力、電流のことを誘導電流と呼びます。

 

磁束の変化の仕方と誘導起電力、誘導電流の向きには、関係があり、
この関係を定めた法則をレンツの法則と呼びます。

 

 

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レンツの法則とは?

 

レンツの法則とは、磁束の変化を妨げる向きに電流が流れるよう誘導起電力が発生するという法則
のことです。

 

磁石をコイルに近づける場合の例において解説します。

 

下図のよう、磁束を出す極である磁石のN極をコイルに近づける場合を考えます。

 

この時、N極から下向きにコイルを貫く磁束が増えます。

 

そして、レンツの法則によりそれを妨げる向き、つまりコイルからは上向きに磁束を発生させようと、
下図のよう誘導電流が流れます

 

ここで誘導電流が流れる向きは、右ねじの法則に従います。

 

 

※N極、S極を近づけたり、遠ざけたりする問題は良く出ますので、上にまとめてみました。
 きちんと理解しましょう!

 

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