物 234 第4編 電気と磁気 基本例題 90 磁場を横切る金属棒に生じる誘導起電力 レール a 金属棒 抵抗 R b 図1のように, 真空中に金属レー ルが水平に置かれ, その上を金属棒 がなめらかに移動できるようになっ ている。 金属棒の長さは1〔m〕 で, レールの間隔に等しい。 またレール 面と垂直に, 磁束密度B [T] の磁場 が加えられている。 レールの方向を x軸, 金属棒の方向をy軸とする。 磁場の向きはz軸の正の向き ( 紙面 裏から表の向き)である。 a E- b b 図2 図3 また、金属棒の抵抗は R [Ω] である。 〔A〕 図2のように,端子 a,b 間に起電力 E〔V〕 の電池(内部抵抗0) を接続した ところ,金属棒は動き始めた。金属棒がx軸の正の向きに速さ” 〔m/s]で動い ているとき (1) 金属棒の両端に発生する誘導起電力の大きさ V 〔V〕 を求めよ。 (2) 金属棒に流れる電流の大きさ I [A] と向きを求めよ。 (3) 金属棒に加わる力の大きさF [N] を求めよ。 十分長い時間が経過し, 金属棒の速さは一定になった。 このとき (4) 金属棒の速さv 〔m/s] を求めよ。 〔B〕 図3のように, 端子 a, b間に固定抵抗 [Ω] を接続し, 金属棒に外部から力 r を加えて動かした。 金属棒がx軸の正の向きに速さ 〔m/s] で動いているとき (5) 金属棒に流れる電流の大きさ I' 〔A〕 と向きを求めよ。 指針 磁場を垂直に横切る金属棒に生じる誘導起電力の大きさはBl〔V〕 である。 向きは、レンツの法則と右ねじの法則とから判断する。 解答 [A] Z軸の負の向きの磁場をつくる 向きに誘導起電力 Vが発生 (レンツ の法則)。 Vの向きはEの向きと反 対になる (右ねじの法則)。 (1) V = vBl〔V〕 (2) キルヒホッフの法則ⅡIより E-V=RI E-vBl よってI=- (A), R 軸の正の向き (3) F=IBI=(E=UBI) BI (N) R C 2 図 1 >>431,432 B ◎ 磁場 軸の 正の向き ひ (4) 力Fはx軸の正の向きにはたらき(フ レミングの左手の法則), 棒は加速さ れ”の増加とともにVも増す。 V がEに達すると, ② ③ 式より I=0, F = 0 となり,以後, 速さはvo で一定 になる。 ③式で,v=vのとき F=0 より E-vBl=0 E よって vo= - (m/s) BU 〔B〕 (5) 誘導起電力の向きと大きさは 〔A〕 と同じなのでV=BL〔V〕 UBU I'= 〔A〕,y軸の負の向き R+r