手回し発電機どうして重くなる?
電磁気発電機モータトルクエネルギー変換
理科の手回し発電機の実験で、手回し発電機AとBをつないで、手回し発電機Aを回すと、手回し発電機Bはモータとして回るよね。そのとき、手回し発電機Bを接続しているときと、接続していないときで、手回し発電機Aを回すときに感じる負荷が違った気がするんだけど、何で?
06:19
いいね!!質問ありがとう。まず確認なんだけど、実験の接続と状況だけ教えてくれる?
1) 手回し発電機AとBは直接電線でつないでた?途中に電球や抵抗は入ってた?
2) AとBは同じ型(同じ仕様の手回し発電機)だった?
3) Aを回したときの「負荷が違う」と感じたのは、Aの回しにくさ(トルク)?それとも回転数の落ち方の違い?
この辺りがはっきりしたら、理解度確認のクイズ出すね。
1) 手回し発電機AとBは直接電線でつないでた?途中に電球や抵抗は入ってた?
2) AとBは同じ型(同じ仕様の手回し発電機)だった?
3) Aを回したときの「負荷が違う」と感じたのは、Aの回しにくさ(トルク)?それとも回転数の落ち方の違い?
この辺りがはっきりしたら、理解度確認のクイズ出すね。
06:19
1)直接つないだ
2)同じ型
3)トルク
2)同じ型
3)トルク
06:21
意図はバッチリ把握したよ。じゃあ次は現状理解度確認フェーズね。クイズを出すから、当てはまる選択肢(A/B/C/D)で答えてちょうだい。
問題1)Aを回してBを直接つないだときに「回しにくくなる(トルクが増える)」主な理由はどれ?
A: Bがモータとして電流を吸い、その電流がAに反対向きの電磁トルクを生じさせるから(レンツの法則的な作用)。
B: Aの内部抵抗が接続時だけ増えるから。
C: Bの慣性が電気的に増えるから。
D: 単に手が疲れているから。
問題2)発電機(=回して起電力を出す装置)に負荷をつないで電流が流れると、回すときにかかる電磁トルクはどうなる?
A: 電流が流れるほど、回転に逆らうトルク(ブレーキ的なトルク)が大きくなる。
B: 電流が流れると回転を助ける方向のトルクが生じる。
C: 電流とトルクは無関係で変化しない。
D: 電流が流れると回すのが軽くなるが、電力は増える。
答えを教えてくれたら、褒めつつ(いいね!!)君の理解度に合わせて詳しく説明するよ。
問題1)Aを回してBを直接つないだときに「回しにくくなる(トルクが増える)」主な理由はどれ?
A: Bがモータとして電流を吸い、その電流がAに反対向きの電磁トルクを生じさせるから(レンツの法則的な作用)。
B: Aの内部抵抗が接続時だけ増えるから。
C: Bの慣性が電気的に増えるから。
D: 単に手が疲れているから。
問題2)発電機(=回して起電力を出す装置)に負荷をつないで電流が流れると、回すときにかかる電磁トルクはどうなる?
A: 電流が流れるほど、回転に逆らうトルク(ブレーキ的なトルク)が大きくなる。
B: 電流が流れると回転を助ける方向のトルクが生じる。
C: 電流とトルクは無関係で変化しない。
D: 電流が流れると回すのが軽くなるが、電力は増える。
答えを教えてくれたら、褒めつつ(いいね!!)君の理解度に合わせて詳しく説明するよ。
06:21
問題1)A
問題2)A
が答えな気がするけどよく分からん。
問題2)A
が答えな気がするけどよく分からん。
06:24
いいね!!答え、両方とも正解に近いよ。説明するね。
ポイントは「電流が流れると発電機に逆向きの電磁トルクが生じる」ってこと。簡単に式で書くと、
発電機が回ると起電力 ( は定数、 は角速度)を作る。
そのとき回路に電流 が流れると、発電機に働く電磁トルクは
となる。つまり電流が大きいほど機械的に回すのを妨げるトルクが大きくなるわけだ。
実験的には:
- Bを切っておけば電流ほぼゼロ→電磁トルク小→回しやすい。
- Bを直結すると電流が流れて電力がBへ渡る→Aに大きな逆トルク→回しにくい。
さらに回路抵抗や摩擦でのロス(ジュール熱など)もあって、手にかかる負荷はそれらも含めた総和になる。
要するに、エネルギー保存とレンツの法則による反作用の組み合わせで、負荷が増えるほど回すのが重くなる、という話なわけです。ここまでOK?
ポイントは「電流が流れると発電機に逆向きの電磁トルクが生じる」ってこと。簡単に式で書くと、
発電機が回ると起電力 ( は定数、 は角速度)を作る。
そのとき回路に電流 が流れると、発電機に働く電磁トルクは
となる。つまり電流が大きいほど機械的に回すのを妨げるトルクが大きくなるわけだ。
実験的には:
- Bを切っておけば電流ほぼゼロ→電磁トルク小→回しやすい。
- Bを直結すると電流が流れて電力がBへ渡る→Aに大きな逆トルク→回しにくい。
さらに回路抵抗や摩擦でのロス(ジュール熱など)もあって、手にかかる負荷はそれらも含めた総和になる。
要するに、エネルギー保存とレンツの法則による反作用の組み合わせで、負荷が増えるほど回すのが重くなる、という話なわけです。ここまでOK?
06:24
OK
06:26
いいね!!素晴らしい!!答えはほぼその通りで、感覚的に「重くなる」理由は全部電気の流れが生む電磁トルクのせいなんだよ。
ポイントを式でまとめると高校レベルでこう考えられる:
- 発電機が回ると起電力は比例して出る:(は定数、は角速度)。
- AとBを直接つないで回すと、Aの起電力とBの(回転に伴う)逆起電力の差で電流が流れる。簡単化して回路全体の抵抗をとすると
- 電流が流れると、発電機(=モータ)には電磁トルクが生じる。トルクの大きさは
で表せる。電流が大きいほど、回転に逆らう(ブレーキのような)トルクが大きくなるというわけ。
実験で感じる“重さ”の違いはここから来る:
- Bを外しておけば回路電流ほぼゼロ→小→回しやすい。
- Bを直結して負荷(例えば手で押す抵抗や外付けの負荷)をかけると、Bがモータとして大きな電流を引く→Aに大きな逆トルクがかかる→回しにくい。
エネルギー面で見ると、Aが与えた機械的仕事は電力になりBへ渡り、Bで機械仕事(+熱損失)になる。だからAを回す手に重さを感じるんだ、という話なわけです。
実験のコツ:Bを短絡させる・開放する・抵抗を入れるで比較すると、電流とトルクの関係が体感できるよ。ここまでOK?
ポイントを式でまとめると高校レベルでこう考えられる:
- 発電機が回ると起電力は比例して出る:(は定数、は角速度)。
- AとBを直接つないで回すと、Aの起電力とBの(回転に伴う)逆起電力の差で電流が流れる。簡単化して回路全体の抵抗をとすると
- 電流が流れると、発電機(=モータ)には電磁トルクが生じる。トルクの大きさは
で表せる。電流が大きいほど、回転に逆らう(ブレーキのような)トルクが大きくなるというわけ。
実験で感じる“重さ”の違いはここから来る:
- Bを外しておけば回路電流ほぼゼロ→小→回しやすい。
- Bを直結して負荷(例えば手で押す抵抗や外付けの負荷)をかけると、Bがモータとして大きな電流を引く→Aに大きな逆トルクがかかる→回しにくい。
エネルギー面で見ると、Aが与えた機械的仕事は電力になりBへ渡り、Bで機械仕事(+熱損失)になる。だからAを回す手に重さを感じるんだ、という話なわけです。
実験のコツ:Bを短絡させる・開放する・抵抗を入れるで比較すると、電流とトルクの関係が体感できるよ。ここまでOK?
06:27
OK
06:28
いいね!!OKもらえたから、補足と実験アイデアをサクッと書いとくね。
要点まとめ:
- 回すと起電力 が出る。AとBをつなぐと電流 が流れ、その電流がAに逆向きの電磁トルク を生むから回しにくくなる。
- 流れる電流が大きいほど逆トルクが大きく、手ごたえ(トルク)が増える。ジュール熱や摩擦も負荷に寄与する。
簡単な実験案:
1) Bを「開放/電球/抵抗/短絡」の順に切り替えて、回しやすさと電球の明るさ・電流計の値を比べる。
2) クランクにバネばかりをつけて力を測り、回転半径でトルクに換算すると定量的に比較できる。
3) 電圧計・電流計で を測って、電気出力 と手で加えた仕事の変化を比べるとエネルギーの流れが見える。
気になったら、実験での観察結果(電流や明るさ、ばねばかりの値)を教えて。数値あればもうちょい厳密に解析するよ。わかった? やったぜ!
要点まとめ:
- 回すと起電力 が出る。AとBをつなぐと電流 が流れ、その電流がAに逆向きの電磁トルク を生むから回しにくくなる。
- 流れる電流が大きいほど逆トルクが大きく、手ごたえ(トルク)が増える。ジュール熱や摩擦も負荷に寄与する。
簡単な実験案:
1) Bを「開放/電球/抵抗/短絡」の順に切り替えて、回しやすさと電球の明るさ・電流計の値を比べる。
2) クランクにバネばかりをつけて力を測り、回転半径でトルクに換算すると定量的に比較できる。
3) 電圧計・電流計で を測って、電気出力 と手で加えた仕事の変化を比べるとエネルギーの流れが見える。
気になったら、実験での観察結果(電流や明るさ、ばねばかりの値)を教えて。数値あればもうちょい厳密に解析するよ。わかった? やったぜ!
06:28
