電磁石とコイルの性質について【ソレノイド】

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電気
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導体に一定方向に電流が流れるとその周囲には磁界が発生します。
電流の向きが反対になると発生する磁界の向きも反対になります。

導体を巻いてコイル状にして電流によって生じた磁界をより強くして利用したものが電磁石です。

  • 電流によって磁界が生じる
  • 電流の向きが反対になると磁界の向きも反対になる
  • 電流が大きくなると磁力が強くなる
  • コイルの巻き数を増やすと磁力が強くなる

これはモーターや変圧器にとても重要なことになります。

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電磁石とは

導線に電流が流れると右ネジの法則にしたがって磁界が発生します。

そして導線を巻いたものをコイルと呼びます。
コイルに電流が流れると巻いた導線により同一方向の磁界が発生し、直線の導線より強い磁界が発生します。

コイル内部に発生した磁界内に鉄芯をおくと鉄内部に向きがバラバラに存在している磁界(N/S)の方向がそろって鉄心自身が磁石の作用をするようになる(端にN極とS極があるようにふるまう)。

コイルに電流が流れる前は鉄内部の磁界の向きがバラバラのため磁性が有りません。

また強磁性体は磁束が非常に通過しやすい物体で磁束が集中します

磁界はN極から出てS極に入ります。

※ここでは導線をエナメル線などの絶縁処理としています。絶縁されていない導線でコイルを巻いても短絡するので危険です。

右ネジの法則

まっすぐな導線に電流が一方向に流れているときには、
周囲に一定方向の磁界ができます。
その方向は電流の向きをネジの閉まっていく方向とすると
磁界はドライバーの回転方向と同じ向きにできます。
この関係は磁界と電流方向を入れ替えても同じ関係が成立します。

右ネジの法則

※右の〇の中に×は画面の奥に向かって流れる電流を表します。
 赤線が磁界の向きです。

作られる磁界の強さは電流に比例し、導体からの距離に反比例します。
電流が大きくなれば磁界は強く、導体から離れれば磁界は弱くなります。

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交流による電磁石

直流は一定方向に電流が流れるので右ネジの法則に従って磁界が発生し、
向きが変化することはありません。

周期的に電流の向きが変化する交流ではどうなるでしょうか?
電流の向きに連動して磁界の向きが変化する電磁石になります。
交流では電流がプラスとマイナスを周期的に入れ替わりますので磁界の強さも変化します。

50Hzでは一秒間に50回(60Hzでは60回)繰り返しています。

単相交流の波形

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使用場面

コイルが電流を流すと電磁石になる性質はあらゆる場面で使用されています。

などの機械部品に使われています。

電流を流すときだけ磁石になるので内部の稼働鉄心(接点)を引き付け、電流を切ってスプリングで稼働鉄心(接点)をもとの位置へ戻すといった使用ができます。

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レイヤーショート(レアショート)

過大な電流や長時間の稼働などの発熱や、経年劣化により導線の絶縁材料が剥がれて絶縁不良に陥ることがあります。この状態をレイヤーショートと呼びます。

LAYERとは層の意味で、コイルに巻いてある導線でできた層のことを指します。

つまりコイルに巻いてある導線間の短絡(SHORT)のことになります。

この短絡によりコイルの巻き線の長さが変わり、抵抗値が変化(導線の抵抗は長さに比例するため)したり、焼損の原因になったりします。

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