回路を開いたときの自己誘導

学習指導要領： APC, Sek II

目的¶

コイルを含む回路を開いたときに生じる自己誘導起電力を観察します。

実験装置¶

6 V の電圧源、スイッチ（閉じた状態）、20 H のコイル（巻線抵抗 50 Ω）があり、コイルと並列に 6 V / 0.5 W の電球がつながっています。実験を開いてから2〜3秒で、コイルの電流は約 0.12 A まで増えます。これは電球の電流（0.083 A）の1.4倍です。

手順¶

コイルの電流が落ち着くまで2〜3秒待ちます。
電球が明るく光る瞬間を見やすくするため、ツールバーのシミュレーション時計の速度を ×0.1 にし、スイッチを開いて電球を観察します。
速度を ×1 に戻し、スイッチを閉じ、再び2〜3秒待ってからスイッチを開きます。

予想される結果

スイッチを開くと、電球はふだんの3倍の明るさで一瞬光り、10分の数秒で消えます（×0.1 では2〜3秒で消えます）。コイルは電流を保ちつづけ、その電流が電球を流れます。約 0.12 A で、電球の定格電流の1.4倍です。電球の電圧は一瞬、約 9.3 V まで上がり、電圧源の電圧より高くなります。コイルは、その電流が電球の電流をわずかに上回る程度になるように選んであります。電流が3倍になるコイルでは、最初にスイッチを開いた時点で電球が断線してしまいます。

問題¶

電球が一瞬明るく光るエネルギーはどこから来るのですか。
リレーのコイルと並列にダイオードをつなぐのはなぜですか。

解答

コイルの磁場からです。0.12 A のとき、コイルは \(W = L \cdot I^2 / 2\) = 20 · 0.12² / 2 ≈ 0.14 J をたくわえています。スイッチを開くと、このエネルギーが電球に電流を流しつづけ、フィラメントで熱と光に、50 Ω の巻線で熱に変わります。
リレーを切ると、この実験装置のコイルと同じように、リレーのコイルは電流を流しつづけようとします。その電流の通り道がないと、自己誘導による電圧が高くなり、スイッチの接点に火花を飛ばしたり、コイルを駆動するトランジスタを破壊したりします。ダイオードは通常の動作では逆方向電圧がかかる向きにつないであり、この実験装置で電球が果たしている役割と同じく、コイルのまわりに電流の閉じた経路をつくるので、スイッチには電源電圧をわずかに上回る程度の電圧しかかかりません。