磁石が回転すると、なぜ電気が発生するのですか? その仕組みなどについて教えて下さい。 自転車のライトで考えてみた場合・・・

物理学 | 工学331閲覧

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基本的なことから、すごい分かり易い言葉で説明いただき有難う御座います。 何となくですが、この御説明で頭の整理ができ、納得できた様に思います。

ThanksImg質問者からのお礼コメント

vt********さんのご回答も大変参考になりました。 皆さん、どうも有難う御座いました。 あとは自分で色々調べて勉強してみます。

お礼日時:5/15 3:15

その他の回答(7件)

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>磁石が回転すると、なぜ電気が発生するのですか? どこまで根本的な回答を求められているのかわかりませんが・・・ (相対性理論を持ち出すとすればベクトル演算と対称性の理解が必須) 高校生レベルで直感的に納得できそうな回答を試みます。 もともと、導線に電流を流すと周囲に磁場が発生する現象を デンマークの科学者エルステッドが発見し、その磁場が電流の 流れる方向と直交方向に(すなわち導線の周りを回転する形で) 形成されることは英国科学者ファラデーが見出しました。 ここでファラデーの凄いところは、導線に流れる電流が磁場を 生み出せるなら、逆に磁場を変化させれば導線に電流が流れる のではないかと予想し、それを実験で証明したところ。 その後マクスウェルが電気と磁気の関係を更に整理し、 磁場が変化するとその変化を打ち消すような方向に電場が 形成され、それによって導体に電流が流れる、と説明できる ようになりました。 これは現在「ファラデーの電磁誘導の法則」として知られ、 発電機や電動機(モーター)に利用されています。 さて、導線の近くで磁石を回転させると、導線と直角方向の磁場 が周期的に変化します(サインカーブまたはコサインカーブで)。 その際、電磁誘導の法則に従い、磁場の変化を打ち消すように 電場(電位差)が形成され、その電位差によって導線内に電流が 流れます。 これが、磁石の回転によって電気が発生する仕組みです。 原子論的に見れば、磁石回転で生じた電場により、金属原子の 最外殻軌道にある自由電子が金属中を高電位側から低電位側に 移動していくため電流が流れる、と説明できます。 ちなみにO、N、Cのような元素からなる物質(絶縁体)や、 Si、Geのような非金属元素からなる物質(半導体)の場合、 金属のような自由電子は存在しませんので、たとえ電位差が 生じても一般には電流は流れません。 発電機や電動機で磁石とペアで使われる導線は、自由電子を 持つ金属原子から出来ているため、磁石回転で電位差が生じる と自由電子が移動して電流が流れるということです。 磁場の変化によってなぜ電場が生じるのかを更に一歩進んで 理解するためには、最初に書いたように電磁気学のベクトル 演算と対称性に関する予備知識が必須となりますが、ここで 分かり易く説明するには、荷が重すぎます。

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すみません、質問の内容が大雑把で・・・ 非金属元素からなる物質(半導体)の場合、 金属のような自由電子は存在しませんので、たとえ電位差が 生じても一般には電流は流れません。 >やはりそうですよね。 質問の意図を考えながらのご回答有難う御座います。 理解が少し深まった様に思います。 基本的な部分のご説明をしていただいたので、あとは自分で調べて勉強してみます。

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フレミングの右手の法則です。 ある磁界中に、磁界を遮る方向に導体が動くことにより、その導体中に起電力が発生し電流が流れます。 そのときの起電力の大きさe(V)は、以下の式で求められます。 e=vBl ここで、v:導体の移動速度、B:磁束密度(T)、l:導体の長さ

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「磁界の変化により電流が生まれる。」 ・・と表現するのがより正確です。 (磁石を回転させる→磁石を動かす→磁界が変化する。) 変化が無い場合には電流は生まれません。 (例えば、磁石と一緒に回転している導線上には 電流は発生しません。) 一方、磁界は電荷が流れるだけで生まれます。 つまり、磁力は電荷を持った粒子が運動すれば いつでも現れます。 ところが、電荷を持った粒子と同じ速度で観測すると、 磁界は現れません。 (静止している観測者から見ると電荷に力がはたらくのに、 動いている観測者から見ると力がはたらかない というようなことが起こります。) 不思議ですね。 これは電場と磁場は座標系により異なる為で、 相対論を持いれば、磁場は電場から上手に導かれるそうです。 「磁場は電場から相対論的効果で生まれる。」となります。 > 電子が飛び出して移動することによって それは電流というものを説明した場合の事と思います。 (自由電子が導体内を移動するのが電流。) 正確には電流とは「電荷」の移動です。 陽子やイオン、正孔など電荷を持った物が動けば (電子に限らず)電流となります。 「電気」と「磁気」を合わせて「電磁気力」と言います。 電気と磁気は、昔は別の現象として認識されていましたが、 マックスウェルの電磁波理論により、 両者は本質的に同じものであることがわかりました。 電磁気力は「何が運んでいるのか」? 電子や原子ではありません。 フォトン(光子)がその力を伝えます。

ところが、電荷を持った粒子と同じ速度で観測すると、 磁界は現れません。 >不思議です、無茶苦茶不思議です、且つ理解が難しいです。 電子が飛び出して移動することによって それは電流というものを説明した場合の事と思います。 (自由電子が導体内を移動するのが電流) >なるほど、仰る通りですね。  ここは頭を切り替えて考えてみます。 詳しく、簡潔に説明いただき、有難う御座います。 大変参考になります。

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電磁誘導は相対論的効果で生じます。つまり相対性理論でいうローレンツ収縮(短縮)で説明できます。 通常,相対論的効果は真空中の光速に相当近くならないと現れません。しかし電磁誘導で対象とする速度はたいてい目で追えるものです。なのになぜ相対論的効果と言えるのか。 それは,対象になる電子の数がとんでもなく多いからです。これが速度の遅さをものともしない影響を見せているのです。 相対論とその影響に関する話なのでわかりやすいサイトはなかなかないのですが,たとえばこれ http://www.osssme.com/doc/funto105-no280.html とか,これ https://home.hiroshima-u.ac.jp/atoda/Electromagnetism/22soutaisei.pdf ですね。

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磁石が回転すると・・・だけでは電気は起こりません。 ここで電気が発生するのはコイルという電線を巻いたものの電線にです。 小学校で電線をまいたコイルに磁石を近づけたりと遠ざけたりして電気を起こす実験をしたことがありますか。 磁石の発生する磁束とよばれる値が時間とともに変化すると電気が発生するという自然界にある物理の法則があるんですね。 でもいつまでも変化しさせていることはできないので磁石を回すととどうでしょうか。コイルに対して磁石の方向が変わるととともともに強さもかわり断続的に電気を生じます。交流という電気になります。

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ありがとうございます。 「磁石の発生する磁束とよばれる値が時間とともに変化すると電気が発生するという自然界にある物理の法則があるんですね。」 ⇒この法則の原理を知りたいのです。詳しく分からなくても、何がどうなって何が起きているのか? 下記は、あるWebページを要約したものです。 多くの物質では、電子は原子核の周囲を回転するだけだが、「何かの拍子」に軌道を離れる場合があり、この軌道を離れた電子を自由電子と言う。 電気とはこの自由電子の動きをいう。 例えば電線の中を自由電子が移動すれば、それが電気の流れ(電流)となる。 この中の、「何かの拍子」に当たる部分が「磁石の回転」? 磁石をコイルに近づけると、コイル(導体:銅やアルミニウム)の原子に存在する電子(自由電子)が動き始めることによって、電気が発生する(電子の移動が起きる)。 こういった理解で間違いないでしょうか?