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物理のマーク問題の解説で分らない所があります
- 物理のマーク問題の解説で疑問が生じています。
- 回路に流れる電流と起電力の関係についての疑問があります。
- コイルに電流が流れる理由について疑問があります。
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>＞Ｉ＝（Ｅ－ω）/Ｒ の関係は、負荷が掛かっているいないに拘らず、成り立ちます >とあったんですがこれは電池自身の内部抵抗を考えない場合でも成り立つのでしょうか？ >もしそうなら抵抗Ｒはなぜあるのかがわかりません Ｉ＝（Ｅ－ω）/Ｒ の関係は、内部抵抗が有ろうと無かろうと、成り立つ関係です。 問題文などで、抵抗を設定する理由は、閉じた回路に無限大の電流が流れるという、あり得ない状態を回避するための常套手段です。 一歩引いて現実の導線を考えたときでも、(超伝導状態でも想定しない限り)抵抗が０という状態にはなりません。 また、一時的に超伝導になっていたとしても、大電流が流れると、超伝導状態は破壊されますから、やはりこのような回路では、現実的には抵抗＝０にはなれないのです。更に更に、電池の内部抵抗といっても、内部に抵抗が入っているという意味ではないことはご存じでしょう。電池には、供給できる電流に限度があるのです。それは、あたかも抵抗が有るときと似ているので、この事情を内部抵抗という言い方で表現しています。現実の電池はどう転んでも内部抵抗が０になることはありません。 >＞回路に負荷が掛かっていない場合でも、電流は流れています、回路の抵抗は０ではありませんから >これも電池自身の内部抵抗を考えない場合、回路の抵抗は０にならないのでしょうか？ >またもし回路の抵抗が０なら回路に負荷が掛かっていない場合でも、電流は流れますか？ 回路の抵抗が０という状況を想定するなら、(Ｅ－ω)/0＝∞ ということになり、無限大の電流が流れることになります。ただそれだけのことで、「電流値が無限大になってしまうから、それを回避するために Ｅ＝ω という状態になる」という論理は成り立ちません。 極めて理想化された状態で考えてみましょう。回路の抵抗が０で、負荷も掛かっていない状態があったとします。初めコイルは回転していませんが、電流を流し始めた瞬間に、電流（コイル）は力を受けるようになるのでコイルは回転し始め、回転によってコイルを貫く磁束が変化するようになるので、誘導起電力ωが発生します。ωは回転速度が速くなるほど大きくなりますから、やがてＥ＝ωという状態に達します。このとき、おっしゃるとおり、電流は０になります。これ以降は、「負荷がない＝回転を止める力が働かない」ということですから、電流が流れなくてもコイルの回転は遅くなることはありません。もちろんコイルに電流が流れていないのでコイルが力を受けることもなくなりますから、加速することもありません。永遠に、電流が流れずにコイルが回転し続けることになります。 >＞『何故，誘導起電力が生じるのか』 >電流が流れているから生じるのですね、つまりE＝ωで電流が流れないとするとそもそも誘導起電力が >生じないということですね いえ、誘導起電力は、コイルに電流が流れているいないに拘わらず、コイルが磁場内で回転しているならば、発生しています※ 誘導電流は、回路が切れていれば流れませんが、それでも誘導起電力は発生しています。先にも書いたように、誘導起電力は、電流によって発生するのではなく、コイルを貫く磁束の変化によって発生するものです。 ※コイルに、変動する電流が流れると逆起電力が生じる、ということも事実ですが、このような１回巻き程度のコイルのような回路の場合、変動する電流による逆起電力(は極めて小さいので、これ)を考慮する必要はありません。百歩譲って、この逆起電力を考慮するとしても、電流が流れているだけではだめで、電流値が変動していることが必須条件です。定常電流では、(たとえ大電流であっても)この逆起電力は０です。
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Ｉ＝（Ｅ－ω）/Ｒ の関係は、負荷が掛かっているいないに拘らず、成り立ちます。 コイルが、(永久磁石が作る)磁場内で回転すれば、負荷が掛かっていようといまいと、誘導起電力（逆起電力）が生じます。コイルに生じる誘導起電力は、"コイルを貫く磁束の変化"に原因があると考えるべきなのです。 さて、負荷が掛かると、コイルの回転は遅くなりますから、コイルを貫く磁束の変化が緩やかになり、誘導起電力ωが小さくなります。そうなると、Ｅ，Ｒは変わらないのにωが小さくなりますから、回路を流れる電流Ｉは大きくなるわけです。 この電流は、電池が流している電荷の流れですから、電池は負荷がない場合に較べて、たくさんの電荷を送り出していることになります。これは、電池がする仕事※が増えたことを意味しています。 ※電池がする仕事とは、電荷を送り出す仕事（＝送り出す電荷量×電圧 で求まります）のことだと考えることができます。 また、回路に生じるジュール熱Ｑは、Ｑ＝Ｉ^2・Ｒ で評価できますから、ＲはそのままにＩが増えれば、ジュール熱Ｑも増えることになります。 補足： 回路に負荷が掛かっていない場合でも、電流は流れています。そのとき回路の抵抗は０ではありませんから、Ｅ>ω でないとおかしいことになります。 もし、回路の抵抗が０であるなら、Ｅ－ωが０でないとすると電流が∞になり、これまたおかしなことになりますから、抵抗＝０ならＥ＝ωとなっていると考えられることになります。 回路に抵抗があるという状態は、電池にしてみたら、負荷が掛かっているときと同じに見えるということです。 なお、抵抗Ｒには、電池自身の内部抵抗も含まれています。現実の電池は内部抵抗を必ず持ちますから、抵抗＝０という状態は、現実的には実現しません。
何故，『誘導起電力』記載があるのか考えましょう． 問題：コイルに負荷をかけて、コイルを回転させにくくした時、コイルが一回転する間に電池がする仕事Wと回路全体から生じるジュール熱の総量Qは、負荷をかける前に比べてどのように変化するか？ 解答：WもQも増加 質問： (1)解説に 電池の起電力の大きさをE、誘導起電力の大きさをω、回路全体の抵抗をｒとすると、 回路に流れる電流 I はI=(E－ω)/rである ＞とあったんですが、この式は負荷をかけた後の式ですよね？ そうです． ＞もしそうなら負荷をかける前の式はE=ωでしょうか？ 違います． ＞もし違うならどうなるか詳しく教えてください 『スイッチを閉じるとコイルは軸を中心に回転を始めた。』 これを見落としていませんか． 負荷を掛ける前，すなわち，電池がコイルと同じ回路上にあっても，スィッチが入っておらず，コイル部分に電流が流れないので，コイル部分は，単なる導線を巻いた筒です． 導線を動かさないで，または，回路に電流を流さないで，何もないところから，起電力が生じたら，それこそ今のエネルギー問題は解決しませんか． ＞(2)コイルにどうして電流がながれるのでしょうか？ ＞もしE=ωなら等電圧で電流が流れないと思います 誘導起電力とは，あくまでも，この場合，電池による起電力を妨げるように働きます． その証拠にI=(E－ω)/rと コイルに電流が流れて，電池による電流が流れないように妨げられた後の回路全体の合計の起電力は，E-ωとなっていますね． よって， もしかして，コイルが回転しているから，そこでエネルギーが失われているから，回路に電流が流れないと考えていませんか． 『何故，誘導起電力が生じるのか』 もう一度，その答案用紙若しくは，問題の解説ではなく，教科書の誘導起電力の部分を深く原理を理解するまで読むことを勧めます． ここで，全てを解決しようと，ゆめゆめ考えないように御願いします．
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回答ありがとうございます ＞『何故，誘導起電力が生じるのか』 電流が流れているから生じるのですね、つまりE＝ωで電流が流れないとするとそもそも誘導起電力が生じないということですね だからE=ωはおかしいわけということなわけですね
お礼
回答ありがとうございます ＞Ｉ＝（Ｅ－ω）/Ｒ の関係は、負荷が掛かっているいないに拘らず、成り立ちます とあったんですがこれは電池自身の内部抵抗を考えない場合でも成り立つのでしょうか？ もしそうなら抵抗Ｒはなぜあるのかがわかりません ＞回路に負荷が掛かっていない場合でも、電流は流れています、回路の抵抗は０ではありませんから これも電池自身の内部抵抗を考えない場合、回路の抵抗は０にならないのでしょうか？ またもし回路の抵抗が０なら回路に負荷が掛かっていない場合でも、電流は流れますか？ すいません質問ばかり