【HEV(ハイブリッド自動車)の充電の原理】ファラデーの電磁誘導の法則【ニッケル水素電池・リチウムイオン電池】

【HEV(ハイブリッド自動車)の充電の原理】ファラデーの電磁誘導の法則【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

 

・ファラデーの電磁誘導の法則とは?

 

・導体棒を動かした場合の誘導起電力

 

というテーマで解説しています。

 

 

ファラデーの電磁誘導の法則

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。

 

電磁誘導により発生する電圧のことを誘導起電力と呼ぶのですが、
この誘導起電力の大きさを決める法則がファラデーの電磁誘導の法則です。

 

 
上図にまとめた中でもポイントを解説します。

 

誘導起電力 V = N |刄モ /冲 | で定義されます。

 

Nはコイルの巻き数を表し、誘導起電力Vはコイルの両端にかかる電圧を表し、
|刄モ /冲 |はt秒間における磁束φの大きさの変化を表します。

 

絶対値がついているのは、磁束変化の向きが負でも適用できるためです。

 

シンプルに言いますと、磁束を速く、大きく変化させると比例して誘導起電力も大きくなり、
逆に磁束をゆっくり、小さく変化させると比例して誘導起電力も小さくなるという法則です。

 

また、誘導起電力の向きはレンツの法則により、磁束の変化を妨げようとする方向に
発生します。

 

さらに誘導電流の大きさIはオームの法則により I = V / Rで決める事ができます。

 

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導体棒を動かした場合の誘導起電力

 

試験に頻出問題の一つとして、ある電気回路内にて導体棒を動かした場合に
誘導起電力を求める問題があります。

 

下イメージ図のようにある閉じた電気回路があり、この電気回路に垂直かつ均一に磁束が
磁束密度Bで回路全体を貫いているとします。

 

回路は四角形をしていますが、コイルと同じように考えることができます。

 

そして右端に長さlの導体棒があり、この導体棒がv冲の速度で左へ移動するとします。

 

回路はコイル一周巻きと同等と考えることが出来ます。

 

すると、回路中を磁束が貫いている面積がv冲lで減っているため、
磁束の変化刄モはv冲Blとなり、誘導起電力V = vBlとなります。

 

また、誘導電流が流れる向きはレンツの法則により磁束の変化を妨げる磁束を発生する向き、
つまり下図矢印のような向きになります(右ねじの法則))。

 

 

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