電気と磁気(電磁気学) ~ 電磁誘導と電磁波
電磁誘導と電磁波
誘導起電力
V = – N \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}
$$
コイルに生じる誘導起電力
V = vBl
$$
自己誘導による起電力
V = -L \frac{\Delta I}{\Delta t}
$$
コイルに蓄えられるエネルギー
U = \frac{1}{2} LI^2
$$
相互誘導
V_2 = -M \frac{\Delta I_1}{\Delta t}
$$
交流 (alternating current)
\Phi &=& BS \cos \omega t \\
\\
V &=& – \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} = BS \omega \sin \omega t
\end{eqnarray*}
V &=& – \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} = BS \omega \sin \omega t
抵抗を流れる電流
V &=& V_0 \sin \omega t \\
\\
I &=& \frac{V}{R} = \frac{V_0 \sin \omega t}{R} = I_0 \sin \omega t \\
\end{eqnarray*}
I &=& \frac{V}{R} = \frac{V_0 \sin \omega t}{R} = I_0 \sin \omega t
交流の実効値
P &=& VI = V_0 I_0 \sin ^2 \omega t = \frac{V_0 I_0}{2} (1 – \cos 2 \omega t) \\
\\
\bar{P} &=& V_e I_e = RI_e^2 = \frac{V_e^2}{R}
\end{eqnarray*}
\bar{P} &=& V_e I_e = RI_e^2 = \frac{V_e^2}{R}
変圧器 (transformer)
V_1 &=& \left | -N_1 \frac{\Delta \varPhi}{\Delta t} \right | \\
\\
V_2 &=& \left | -N_2 \frac{\Delta \varPhi}{\Delta t} \right | \\
\\
\frac{V_1}{V_2} &=& \frac{V_{1e}}{V_{2e}} = \frac{N_1}{N_2}
\end{eqnarray*}
V_2 &=& \left | -N_2 \frac{\Delta \varPhi}{\Delta t} \right |
\frac{V_1}{V_2} &=& \frac{V_{1e}}{V_{2e}} = \frac{N_1}{N_2}
送電と変圧
\frac{p}{P} = \frac{r I^2}{IV} = \frac{rI}{V} = \frac{r VI}{V^2} = \frac{rP}{V^2}
$$
コイルを流れる電流
V &=& V_0 \sin \omega t \\
\\
I &=& -\frac{V_0}{\omega L} \cos \omega t = I_0 \sin \left( \omega t – \frac{\pi}{2} \right)
\end{eqnarray*}
I &=& -\frac{V_0}{\omega L} \cos \omega t = I_0 \sin \left( \omega t – \frac{\pi}{2} \right)
コイルのリアクタンス
X_L = \omega L
$$
コンデンサーを流れる電流
V &=& V_0 \sin \omega t \\
\\
I &=& \omega CV_0 \cos \omega t = I_0 \sin \left( \omega t + \frac{\pi}{2} \right)
\end{eqnarray*}
I &=& \omega CV_0 \cos \omega t = I_0 \sin \left( \omega t + \frac{\pi}{2} \right)
コンデンサーのリアクタンス
X_C = \frac{1}{\omega C}
$$
コイルの消費電力
P &=& VI = (V_0 \sin \omega t)(- I_0 \cos \omega t) \\
\\
&=& – \frac{V_0 I_0}{2} \sin 2 \omega t \\
\\
U &=& \frac{1}{2} LI^2 = \frac{1}{2} L(- I_0 \cos \omega t)^2 \\
\\
&=& \frac{1}{2} LI_0^2 \frac{(1+ \cos 2 \omega t)}{2}
\end{eqnarray*}
&=& – \frac{V_0 I_0}{2} \sin 2 \omega t
U &=& \frac{1}{2} LI^2 = \frac{1}{2} L(- I_0 \cos \omega t)^2
&=& \frac{1}{2} LI_0^2 \frac{(1+ \cos 2 \omega t)}{2}
コンデンサーの消費電力
P &=& VI = (V_0 \sin \omega t)(I_0 \cos \omega t) \\
\\
&=& \frac{V_0 I_0}{2} \sin \omega t \\
\\
U &=& \frac{1}{2} CV^2 = \frac{1}{2} C (V_0 \sin \omega t)^2 \\
\\
&=& \frac{1}{2} CV_o^2 \frac{(1- \cos 2 \omega t)}{2}
\end{eqnarray*}
&=& \frac{V_0 I_0}{2} \sin \omega t
U &=& \frac{1}{2} CV^2 = \frac{1}{2} C (V_0 \sin \omega t)^2
&=& \frac{1}{2} CV_o^2 \frac{(1- \cos 2 \omega t)}{2}
RLC直列回路
I &=& I_0 \sin \omega t \\
\\
V_R &=& RI = RI_0 \sin \omega t \\
\\
V_L &=& \omega LI_0 \sin \left( \omega t + \frac{\pi}{2} \right) = \omega L I_0 \cos \omega t \\
\\
V_C &=& \frac{I_0}{\omega C} \sin \left( \omega t – \frac{\pi}{2} \right) = – \frac{I_0}{\omega C} \cos \omega t \\
\\
V &=& V_R + V_L + V_C \\
\\
V &=& RI_0 \sin \omega t + \omega LI_0 \cos \omega t + \left( -\frac{I_0}{\omega C} \cos \omega t \right) \\
\\
&=& I_0 \left \{ R \sin \omega t + \left( \omega L – \frac{1}{\omega C} \right) \cos \omega t \right \} \\
\\
&=& \sqrt{R^2 + \left( \omega L – \frac{1}{\omega C} \right) } I_0 \sin (\omega t + \theta) \\
\\
\\
V &=& ZI_0 \sin (\omega t + \theta) \ ,\ Z = \sqrt{R^2 + \left( \omega L – \frac{1}{\omega C} \right) } \ , \ \tan \theta = \frac{\omega L – \frac{1}{\omega C}}{R} \ , \ \left( -\frac{\pi}{2} \le \theta \le \frac{\pi}{2} \right)
\end{eqnarray*}
V_R &=& RI = RI_0 \sin \omega t
V_L &=& \omega LI_0 \sin \left( \omega t + \frac{\pi}{2} \right) = \omega L I_0 \cos \omega t
V_C &=& \frac{I_0}{\omega C} \sin \left( \omega t – \frac{\pi}{2} \right) = – \frac{I_0}{\omega C} \cos \omega t
V &=& V_R + V_L + V_C \\
V &=& RI_0 \sin \omega t + \omega LI_0 \cos \omega t + \left( -\frac{I_0}{\omega C} \cos \omega t \right)
&=& I_0 \left \{ R \sin \omega t + \left( \omega L – \frac{1}{\omega C} \right) \cos \omega t \right \}
&=& \sqrt{R^2 + \left( \omega L – \frac{1}{\omega C} \right) } I_0 \sin (\omega t + \theta)
V &=& ZI_0 \sin (\omega t + \theta) \ ,\ Z = \sqrt{R^2 + \left( \omega L – \frac{1}{\omega C} \right) } \ , \ \tan \theta = \frac{\omega L – \frac{1}{\omega C}}{R} \ , \ \left( -\frac{\pi}{2} \le \theta \le \frac{\pi}{2} \right)
平均の消費電力
V_e &=& ZI_e \\
\\
\bar{P} &=& RI_e^2 = Z \cos \theta \cdot \frac{V_e}{Z} \cdot I_e = V_e I_e \cos \theta
\\
\end{eqnarray*}
\bar{P} &=& RI_e^2 = Z \cos \theta \cdot \frac{V_e}{Z} \cdot I_e = V_e I_e \cos \theta
RLC直列回路の共振
f_0 = \frac{\omega _0}{2 \pi} = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}
$$
電気振動 (electric oscillation)
\frac{1}{2} CV^2 + \frac{1}{2} LI^2 = \text{const.}
$$
真空中を伝わる電磁波の速さ$c$
c = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon _0 \mu _0}}
$$
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