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磁界とは|電験理論の解説

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この記事でわかること
  • 磁界(磁場)とは何か
  • 磁界の向きと大きさ
  • 磁力線と磁束の違い
  • 電流の作る磁界とその大きさ

磁力とは

磁石には、鉄などを引き付ける力があります。これを”磁力”といいます。磁力は、磁石の両端で最も強くなり、この部分を”磁極”と呼んでいます。

また、鉄などが磁石にくっつくと鉄自身も磁石のような働きをします。このような現象を磁気誘導と呼びます。

磁力は、離れた位置でも働くため、磁石の周りには磁力の働く空間が存在することになります。この、磁力の働く空間を”磁界”と呼びます。同じものを指す言葉として”磁場”というものがあります。

磁場と磁界の違い

磁場と磁界は同じものを指す言葉なので意味に違いはありません。しかし、一般的に物理学の分野で”磁場”と呼び、電気工学の分野では”磁界”と呼んでいます。

磁力の性質

磁力には次のような性質があります。

磁力の大きさを表す式は、静電気の分野で学習するクーロンの法則の式と同じような形式になります。

磁力の大きさの公式

$$F=k{}_m \times \frac{m{}_1 \times m{}_2}{r{}^2}$$

比例定数:\(k{}_m [N・m{}^2/Wb{}^2]\) , 磁極の強さ(磁荷):\(m{}_1 , m{}_2 [Wb]\) , 距離:\(r [m]\)

磁界の様子

磁界の様子を知るために、磁石の周りに方位磁針を並べてみます。すると、方位磁針のN極はそれぞれ、ある決まった方向を向きます。方位磁針のN極どうしをつないでいくと磁界の様子が見えてきます。

磁界の様子を表す磁力線には次のような性質があります。

  1. 磁力線はN極から出て、S極に入る
  2. 磁力線が交わることは無い
  3. 磁力線は磁極から垂直に出て、垂直に入る
  4. 磁力線の密度と磁界の強さは一致する

磁力線と磁束

磁力を強める方法の1つに磁石を鉄など磁気誘導が起こりやすいケースで覆うという方法があります。

この時、磁力の様子は画像のように表すことができるのですが、磁力線の本数が物質からの影響を受け変化していることが分かると思います。これでは、磁界を考える時に面倒です…💦

そこで、磁束という概念が生まれました。

磁力線と磁束の違い

磁力線

  • 透磁率に影響される
  • 磁石の中は通らない

磁束

  • 透磁率に影響されない
  • 磁石の中も通る

今後は、磁界の強弱を考える際に磁束の密度(磁束密度,記号:B, 単位:[T] テスラ)を使います。

磁力と磁束密度の式

$$B=\frac{Φ}{A}$$
磁束:\(Φ[Wb]\) , 面積:\(A[m{}^2]\)

透磁率とは??

物質ごとの磁気の通しやすさを透磁率\(μ [H/m]\)と呼びます。記号はミューと読み、透磁率が大きいほど、磁力線をたくさん通します。よって磁力の式は透磁率を使って表すと以下のようになります。

$$磁力F=k{}_m \times \frac{m{}_1 \times m{}_2}{r{}^2}=\frac{1}{4πμ} \times \frac{m{}_1 \times m{}_2}{r{}^2}$$

電流の作る磁界

電流が流れるとその周囲には磁界が発生します。発生する磁界の向きは右ねじの法則によって求めることができます。

また、磁界の大きさについては、ビオ・バザールの法則やアンペアの周回路の法則によって求めることができます。電験三種では、このような補方法があるんだな程度の理解でも十分問題を解くことができます。

重要なのは次の表に記載する導体の形状と磁界の大きさの式を覚えておくことです。

 直線状導体  円形コイル  細長いコイル 環状ソレノイド
磁界の大きさ
\([A/m]\)
$$H=\frac{I}{2πr}$$$$H=\frac{NI}{2r}$$巻数:\(N\)$$H=NI$$ \(1 [m]\)あたりの巻数:\(N\)$$H=\frac{NI}{l}=\frac{NI}{2πr}$$

直線状の導体

円形のコイル

細長いコイル

環状ソレノイド

まとめ

ももよし
ももよし

今回は、磁界について解説しました。

基本となる内容なので、しっかり覚えておきましょう!

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