一定の直流では磁場がほぼ一定なのに、交流では向きと強さが周期的に変わるのは、電流が作る磁場の向きと大きさが、その瞬間の電流の向きと大きさに対応しているからです。
直流は、定常状態では電流の向きも大きさもほぼ一定です。そのため周囲の磁場も時間に対してほぼ一定になります。これに対して交流は、電流の向きと大きさが周期的に変化します。電流が正方向へ流れる半周期では一方向の磁場が生じ、電流がゼロになれば磁場も弱まり、逆方向へ流れる半周期では磁場の向きも反転します。
ただし実際のコイルでは自己誘導があるため、電圧と電流は必ずしも同じタイミングで最大にはなりません。周波数が高くなるほど誘導リアクタンスが大きくなり、同じ交流電圧を加えても流れる電流が小さくなる場合があります。したがって交流磁場を考えるときは、電流の周期変化だけでなくコイルのインダクタンスも重要です。
電流はなぜ磁場を作るのか
電流は電荷がまとまって移動している状態です。動く電荷は周囲に磁場を作るため、電流が流れる導線の周囲にも磁場が生じます。
OpenStaxのビオ・サバールの法則では、電流要素が作る磁場は電流Iに比例して表されます。つまり同じ導線形状なら、電流が大きいほど磁場も強くなります。
磁場の向きは電流方向と導線の位置関係で決まり、右ねじの法則で確認できます。
直流ではなぜ磁場がほぼ一定になるのか
直流では、定常状態になると電流の向きが変わらず、大きさもほぼ一定です。
磁場が電流に比例する条件では、電流が一定なら磁場もほぼ一定になります。そのため直流を流したソレノイドや電磁石は、電源条件が安定していれば一定方向の磁場を作り続けます。
ただし電源を入れた直後や切った直後には電流が変化するため、その短い時間だけは磁場も変化します。
交流では電流の向きが周期的に反転する
交流は、時間とともに正方向と逆方向へ交互に流れる電流です。正弦波交流なら、瞬時電流は正の最大値からゼロ、負の最大値、再びゼロへと周期的に変化します。
金沢工業大学の交流回路教材でも、交流では正の電圧と負の電圧で電流方向が入れ替わることが示されています。
電流方向が逆転すれば、右ねじの法則で決まる磁場方向も逆転します。そのため交流が作る磁場は一方向へ固定されず、周期的に反転します。
交流では磁場の強さも周期的に変わる
交流では向きだけでなく電流の大きさも時間とともに変わります。
電流がゼロへ近づくと磁場も弱まり、電流の絶対値が大きくなると磁場も強くなります。理想的に磁場が電流へ比例する範囲なら、磁場も電流と同じ基本周期で強弱を繰り返します。
したがって交流磁場は、「同じ向きの磁場が強くなったり弱くなったりする」だけではなく、半周期ごとに向きまで反転します。
コイルに交流を流すと何が起こるのか
コイルでは各巻き線が作る磁場が重なり、内部に強い磁場を作れます。
直流を流せばコイル内部の磁場方向は一定ですが、交流を流すと電流方向が反転するたびにコイルのN極とS極に相当する向きも入れ替わります。
そのため交流コイルは、時間的に反転する磁束を作る装置として変圧器やモーターなどに利用されます。
変圧器で交流が使われるのはなぜか
変圧器は、1次コイルの磁束変化によって2次コイルへ誘導起電力を生じさせる装置です。
金沢工業大学の教材では、1次コイルへ交流電圧を加えると交流電流が流れ、1次コイル内の磁束が変化し、その変化が鉄心を介して2次コイルへ伝わると説明されています。
一定の直流を流し続けた場合、定常状態では磁束が時間変化しないため、2次コイルに連続して誘導起電力を生じさせることはできません。
自己誘導は交流電流の変化を妨げる
コイルに流れる電流が変化すると、コイル自身を貫く磁束も変化します。その変化によって、元の電流変化を妨げる向きの誘導起電力が生じます。これが自己誘導です。
北海道大学の教材では、自己誘導はV=-L dI/dtで表され、電流を増減させようとするとその変化を妨げる電圧が生じると説明されています。
このため交流コイルでは、加えた電圧の変化に対して電流がそのまま瞬時に追従するわけではありません。
交流コイルでは電圧と電流に位相差が生じる
理想的なインダクタでは、交流電圧と交流電流のピークは同時に現れません。
OpenStaxは、理想インダクタでは電流が電圧より4分の1周期、つまり90度遅れると説明しています。
磁場は主に電流に対応して変化するため、磁場の時間変化を見るときは電源電圧だけでなく、実際のコイル電流を確認する必要があります。
周波数が高いと同じ電圧でも電流が小さくなりやすい
インダクタには誘導リアクタンスと呼ばれる、交流電流の変化を妨げる働きがあります。
OpenStaxでは誘導リアクタンスはXL=ωLで表され、周波数が高いほど大きくなると説明されています。
そのため同じ電圧振幅をコイルへ加えても、周波数を高くすると電流振幅が小さくなり、その結果、磁場振幅も小さくなる場合があります。
交流磁場の周波数は何を意味するのか
周波数は、1秒間に何回電流が同じ周期変化を繰り返すかを示します。
たとえば50 Hzの交流なら、1秒間に50周期の変化があり、磁場も基本的には同じ周期で正負を繰り返します。
磁場の向きだけを数えると、1周期の中で正方向と負方向がそれぞれ現れるため、磁極の向きは半周期ごとに反転します。
鉄心を入れると交流磁場はどう変わるのか
コイルへ鉄心を入れると、鉄心が磁化されるため磁束を増やせます。
一方で交流では鉄心の磁化方向も周期的に変わるため、ヒステリシス損失や渦電流損失が生じます。
そのため交流用の鉄心では、磁場を強めるだけでなく、周波数に応じて損失を抑える材料や構造が必要です。
直流でも完全に一定とは限らない
「直流なら磁場は必ず完全一定」というわけではありません。
電源を入れた直後や切った直後、電源電圧が変動するとき、コイル温度が上がって抵抗が変化するときには電流も変わるため、磁場も変化します。
ここでいう「直流では磁場がほぼ一定」とは、定常状態で電流がほぼ一定に保たれている場合を指します。
交流でも波形が正弦波とは限らない
交流という言葉は、必ずしも滑らかな正弦波だけを意味しません。
矩形波やパルス状に正負が切り替わる電流でも、電流の向きと大きさが時間変化すれば磁場もそれに応じて変化します。
ただし急峻な電流変化ほど自己誘導による電圧が大きくなりやすいため、実際の波形は回路のインダクタンスや抵抗によって丸まることがあります。
交流磁場はモーターでどう使われるのか
交流モーターでは、時間変化する電流を複数のコイルへ流すことで、空間的にも時間的にも変化する磁場を作ります。
単相交流でも磁場は時間的に変動しますが、三相交流では各相の位相をずらすことで回転磁場を作れます。
この回転磁場がローターへトルクを与えるため、交流の時間変化は単なる電源方式ではなく、磁場を動かす仕組みそのものとして利用されています。
直流と交流の違いは「電流の時間変化」にある
一定の直流では、定常状態で電流の向きと大きさがほぼ変わらないため、作られる磁場もほぼ一定です。
交流では電流の向きと大きさが周期的に変わるため、磁場も強弱を繰り返しながら向きを反転します。コイルではさらに自己誘導が働き、周波数が高いほど誘導リアクタンスが大きくなって電流振幅が変わります。
つまり直流と交流で磁場の振る舞いが違う本質は、「電流が時間に対して一定か、周期的に変化するか」にあるのです。
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参考資料
- 金沢工業大学「変圧器」
- 北海道大学「インダクタンス・自己誘導」
- OpenStax University Physics Volume 2「The Biot-Savart Law」
- OpenStax University Physics Volume 2「Simple AC Circuits」
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