コイルを含む回路の基本わかりやすく解説

この記事では「コイルを含む回路に直流電流を流した時の特徴」についてわかりやすく解説していきます。コイルは自己誘導をしますが、自己誘導によってコイルを含む回路は電流が流れるときに独特の流れかたをします。

  • これから物理を学ぶ高校生
  • 物理を得点源にしたい受験生

に向けて、できるだけ噛み砕いて解説しますので、最後までしっかり読んで理解しましょう!

コイルは自己誘導を起こす

まず復習として「電流の変化によりコイルは自己誘導を起こす」ということは覚えていますか?

コイルを流れる電流が変化するとコイルが発生させる磁束が変化しますが、この磁束の変化によってコイル自体に誘導起電力が発生するというのが自己誘導の簡単な原理です。誘導起電力はコイルの磁束の変化を打ち消すような向きに発生します。

コイル自身の磁束の変化で誘導起電力が発生する

コイルが自己誘導を起こす詳しい原理と、自己誘導の公式については以下の記事を参考にしてください。

【合わせて読みたい】
自己誘導ってなに?わかりやすく解説してみた

コイルを含む回路への電流の流れかた

自己誘導は磁束の変化を打ち消す向きに働きます。わかりやすく言い換えると「コイルは電流が流れるのを嫌がる」という特徴を持っていて、この特徴によってコイルが含まれる回路は、独特な電流の流れかたをします

今回は図のような回路に電流を流したとき、どんな流れかたをするのかについて考えてみましょう。

コイルを含む回路はどんな電気の流れ方になる?

コイルを含む回路は大きく以下の3つの段階で電流を流していきます。

  1. スイッチを入れた直後はコイルに電流が流れない
  2. しばらくすると徐々に電流が流れ始める
  3. 十分に時間が経つとコイルは自己誘導をしなくなる

段階①:スイッチを入れた直後はコイルに電流が流れない

まずスイッチを入れた直後のコイルは、流れる電流の変化が非常に大きいため、電流を妨げる自己誘導も大きくなります。

そのため流し始めはコイル自体の誘導起電力が大きくなるため電流は全く流れません。

流し始めは電流は全く流れない

段階②:しばらくすると徐々に電流が流れ始める

スイッチを入れて電流を流し始めたときのコイルは誘導起電力が大きく電流を流しませんが、電流の変化が落ち着いてくると徐々に電流を流すようになります。

電流の変化が小さくなり、コイル内部に発生する誘導起電力が小さくなるためです。

誘導起電力が小さくなり電流が流れ始める

段階③:十分に時間が経つとコイルは自己誘導をしなくなる

十分に時間が経つと電流の変化がほとんどなくなり、コイルは自己誘導をしなくなります。結果としてコイルに発生する誘導起電力はなくなり、普通の導線と同じように電流が流れるようになります。

電気が十分に流れると誘導起電力は起こらなくなる

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コイルはエネルギーを蓄える

コイルが電流を妨げる向きに誘導起電力を発生させるということは、コイルは自由電子に対して負の仕事をしていることになります。つまり、電流を流して十分な時間が経過したコイルにはエネルギーが蓄えられているということです。

実際、画像のようなコイルと電流計を並列接続した回路に十分な時間だけ電流を流しスイッチをきると、スイッチが切れたにも関わらず電流計は反応をします。

コイルに蓄えられた電気エネルギーが電流になる

これはコイルに蓄えられた電気のエネルギーがスイッチを切った後に電流計に流れるためです。

コイルが蓄えるエネルギーは以下の式で表すことができます。

 

コイルが蓄えるエネルギー

E=\frac{1}{2}LI^2

 

まとめ

最後まで読んでいただきありがとうございました!

コイルを含む回路の特徴について、理解できましたか?


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