コイルに流れる電流は、スイッチを切った後もしばらく流れ続けようとする性質があります。この現象は電磁気学でよく知られたコイルの特徴ですが、その原因は自己誘導によるものです。では、もし自己誘導が存在しないと仮定した場合、コイルが電流を一旦維持するような現象もなくなるのでしょうか。この記事では、自己誘導と電流維持の関係をわかりやすく解説します。
コイルが電流を維持しようとする理由
コイルに流れる電流が急に変化しにくい理由は、コイル自身が作る磁場にあります。コイルに電流が流れると、その周囲には磁界が発生し、コイル内部には磁気エネルギーが蓄えられます。
電流を急に小さくしたりゼロにしたりすると、蓄えられた磁気エネルギーが放出されます。このときコイルは、電流の変化を妨げる向きの電圧を発生させます。これが自己誘導による誘導起電力です。
つまり、「コイルが電流を維持する」という表現は、コイルが自ら電流を保存しているという意味ではなく、自己誘導によって電流変化を妨げる働きをしているという意味になります。
自己誘導とは何か
自己誘導とは、コイル自身に流れる電流の変化によって、そのコイル自身に起電力が発生する現象です。
コイルの自己誘導による電圧は、次の式で表されます。
V＝−LΔI/Δt
Lは自己インダクタンス、ΔI/Δtは電流の変化速度を表します。マイナス記号は、発生する電圧が電流変化を妨げる方向になることを示しています。
例えば、電源につながったコイルの回路を突然切断すると、コイルは「今まで流れていた電流を続けよう」とする方向に電圧を発生させます。そのため、一瞬高い電圧が発生することもあります。
もし自己誘導がなかったら電流はどうなるのか
仮に自己誘導が存在しないとすると、コイルは電流変化を妨げる働きをしません。その場合、電流を維持しようとする現象は基本的になくなります。
例えば、抵抗だけの回路を考えると、スイッチを切った瞬間に電流はほぼ瞬時にゼロになります。これは抵抗には電流を蓄える性質がなく、電気エネルギーを保持できないためです。
同じように、自己誘導を持たない理想的なコイルを仮定すると、磁場に蓄えられるエネルギーも存在せず、電流を続けようとする作用も発生しません。
電流を維持しているのはコイルではなく磁気エネルギー
コイルが電流を維持しているように見える理由は、電流そのものを保存しているからではありません。コイルに蓄えられた磁気エネルギーが、電流を流し続ける形で放出されるためです。
例えば、自転車のタイヤが回り続けるのはタイヤが回転を保存しているからではなく、運動エネルギーが残っているためです。コイルの場合も同じで、磁界という形でエネルギーを蓄えているため、電流変化が起こりにくくなります。
この考え方を理解すると、コイルとコンデンサーの違いも分かりやすくなります。コンデンサーは電界にエネルギーを蓄え、コイルは磁界にエネルギーを蓄えます。
自己誘導と電流維持の関係を具体例で理解する
代表的な例がリレーやモーターのスイッチを切ったときに発生する逆起電力です。コイルに流れていた電流が急に止まろうとすると、自己誘導によって高い電圧が発生します。
もし自己誘導がなければ、このような逆起電力は発生せず、スイッチを切った瞬間に電流は途切れます。つまり、電気機器で問題になるサージ電圧や火花も発生しません。
このことからも、コイルの電流維持という性質は自己誘導そのものによって生じていることが分かります。
まとめ｜自己誘導がなければコイルの電流維持現象は起こらない
コイルが電流を一旦維持するように見える現象は、自己誘導によって生じるものです。コイルは電流を保存しているわけではなく、磁界に蓄えたエネルギーを利用して電流変化を妨げています。
そのため、もし自己誘導が存在しないと仮定すれば、コイル特有の「電流を流し続けようとする働き」はなくなります。
自己誘導を理解することは、コイルを使った回路やモーター、変圧器、リレーなど多くの電気機器の動作を理解するための基本になります。
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