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運動起電力

1890

Hendrik Lorentz

（画像はイメージです）

モーション EMF 導体が磁場を通過するときに発生する。ローレンツ力、、、は導体内の電荷キャリアに作用し、電荷キャリアを移動させて電荷分離を引き起こします。この分離により電場と電位差が生じます。結果として生じる起電力は、線積分、、、で与えられます。

モーション EMF is a direct consequence of the ローレンツ力 acting on mobile charges inside a conductor that is moving relative to a magnetic field. As the conductor moves with velocity [latex]\mathbf{v}[/latex] through a magnetic field [latex]\mathbf{B}[/latex], the free charges (electrons) within it experience a magnetic force [latex]\mathbf{F}_m = q(\mathbf{v} \times \mathbf{B})[/latex]. This force is perpendicular to both the velocity and the magnetic field, causing the charges to accumulate at one end of the conductor, leaving the other end with a net positive charge. This charge separation creates an internal electrostatic field [latex]\mathbf{E}_e[/latex] that opposes the further migration of charges. Equilibrium is reached when the electrostatic force [latex]\mathbf{F}_e = q\mathbf{E}_e[/latex] exactly balances the magnetic force, i.e., [latex]q\mathbf{E}_e = -q(\mathbf{v} \times \mathbf{B})[/latex].

電荷が受ける有効電場 [latex]mathbf{E}_{eff} = mathbf{v} times mathbf{B}[/latex] は、電流を駆動する非保存場です。起電力は、この有効電場が導体の長さに沿って積分した単位電荷あたりの仕事です。長さ [latex]L[/latex] の直線導線が均一電場 [latex]B[/latex] に垂直に移動する場合、起電力は [latex]mathcal{E} = BLv[/latex] に簡略化されます。運動起電力は、ファラデーの誘導法則 (変化する磁束の観点から) の特定のケースと見なすことができますが、ローレンツ力の観点からは、電荷分離と結果として生じる電圧の原因となるメカニズムについて、より微視的な説明が得られます。

電気工学, 電気, 電磁気, エネルギー, 磁気共鳴画像法（MRI）, パワーエレクトロニクス, 再生可能エネルギー, ロボット工学, センサー

UNESCO Nomenclature: 2205

電気と磁気

タイプ

物理現象

混乱

実質的な

使用法

広く普及している

前駆物質

マイケル・ファラデーによる電磁誘導の発見
ジェームズ・クラーク・マクスウェルの電磁気学の方程式
J.J.トムソンによる電子の発見

アプリケーション

単極発電機
レールガン
磁気流体力学（MHD）発電機
渦電流ブレーキ
宇宙空間における電気力学的テザー

特許:

潜在的なイノベーションのアイデア

spacecraft propulsion using electrodynamic tethers interacting with planetary magnetic fields
power generation from ocean currents moving conductive seawater through earth’s magnetic field
self-powered 医療用インプラント that generate power from blood flow through an applied magnetic field
vibration energy harvesters using magnets oscillating relative to coils
contactless flow meters for conductive fluids in industrial pipes
hypervelocity projectile launchers (railguns) for space launch applications
mhd systems for silent submarine propulsion
high-g sensors based on the emf generated in a moving conductive fluid

関連キーワード：運動起電力、ローレンツ力、磁場、導体、速度、発電機、電荷分離、誘導。

歴史的背景

Supersonic jet illustrating Mach number and compressibility in aerodynamics.

マッハ数と圧縮率

マッハ数（M）は、境界を通過する流速と局所的な音速の比を表す無次元量です。[latex]M = v/a[/latex]、ここでvは流速、aは音速です。これは圧縮性効果の主要な指標です。マッハ数が1に近づき、それを超えると、空気の密度が大きく変化し、空力特性が変化します。

AC induction motor in industrial application with visible stator and rotor components.

交流誘導電動機

交流誘導電動機は、固定子によって生成される回転磁界の原理に基づいて動作します。この磁界は、空間的に分布した固定子巻線に多相交流電流を供給することによって生成されます。回転磁界は回転子導体（例えば、かご形コイル）に電流を誘導し、それによって逆向きの磁界が生成されます。これらの磁界の相互作用によって回転トルクが発生します。

Fuel cell experiment in a laboratory demonstrating Nernst equation applications in electrochemistry.

燃料電池の電位に関するネルンストの式

ネルンストの式は、非標準条件下における燃料電池の可逆起電力（EMF）または開回路電圧を定量化します。この式は、セル電位（[latex]E[/latex]）を標準電位（[latex]E^0[/latex]）、温度、および反応物と生成物の活量（分圧で近似）に関連付けます。式は[latex]E = E^0 - frac{RT}{nF} ln Q[/latex]で、Qは反応商です。

運動起電力

液液抽出液における分配比

分配比（D）は、液液抽出（LLE）における重要な平衡パラメータであり、有機相中の溶質の総分析濃度を水相中の溶質の総濃度で割った値として定義されます。[latex]D = frac{[S]_{org,total}}{[S]_{aq,total}}[/latex]。分配係数（K_D）とは異なり、Dは解離型や錯体型を含む溶質のすべての化学種を考慮するため、pHに依存します。

ハンプソン＝リンデ・サイクル

ハンプソン・リンデサイクルは、ジュール・トムソン効果と再生冷却を組み合わせることで、空気などの気体を液化する。高圧ガスは、膨張弁から戻ってくる低温の低圧ガスによって対向流熱交換器内で冷却される。これにより、膨張弁の温度が徐々に低下し、臨界点を下回ると液化が始まる。これが現代のガス液化産業の基礎となっている。

ローレンツ力

ローレンツ力法則は、電場と磁場が合わさった場を移動する点電荷が受ける全力を記述します。これは静電気力と磁力の合計です。支配ベクトル方程式は [latex]mathbf{F} = q(mathbf{E} + mathbf{v} times mathbf{B})[/latex] で、ここで [latex]q[/latex] は電荷、[latex]mathbf{v}[/latex] はその速度、[latex]mathbf{E}[/latex] は電場、[latex]mathbf{B}[/latex] は磁場です。

1887

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1896

Researcher demonstrating shear-thickening behavior of cornstarch-water mixture in mechanics.

せん断増粘（ダイラタンシー）

せん断増粘、またはダイラタンシーとは、せん断応力の速度に応じて粘度が増加する非ニュートン流体挙動のことである。典型的な例は、コーンスターチを水に懸濁させたもの（ウーブレック）である。これはゆっくりかき混ぜると液体のように感じられるが、叩いたり速くかき混ぜたりするとほぼ固体になる。この現象は、高せん断下で懸濁粒子が詰まることによって引き起こされる。

19th-century laboratory experiment illustrating Raoult's Law in physical chemistry.

理想溶液に関するラウールの法則

ラウールの法則は、理想的な液体混合物中の各成分の部分蒸気圧は、純粋な成分の蒸気圧にその液体混合物中のモル分率を掛けたものに等しいと述べています。支配式は [latex]P_i = P_i^* x_i[/latex] で、[latex]P_i[/latex] は成分の部分圧力、[latex]P_i^*[/latex] はその純粋な蒸気圧、[latex]x_i[/latex] はそのモル分率です。

Electrochemical cell with Nernst equation applications in electrochemistry.

ネルンストの式

ネルンストの式は、半電池の還元電位（または電気化学セルの全電圧）を、標準電極電位、温度、および酸化還元反応を起こす化学種の活量（多くの場合、濃度で近似される）に関連付けます。この式は [latex]E = E^{circ} - frac{RT}{nF} ln Q[/latex] で、Q は反応商です。

Lithium-ion battery testing in electrochemistry laboratory.

化学起電力

電池や燃料電池などの電気化学セルでは、起電力は化学反応によって発生します。電荷の分離は、2つの異なる電極で起こる酸化還元反応によって駆動されます。セルの最大起電力は、反応のギブズ自由エネルギーの変化（[latex]Delta G[/latex]）と[latex]mathcal{E} = -frac{Delta G}{nF}[/latex]の関係にあります。ここで、[latex]n[/latex]は電子のモル数、[latex]F[/latex]はファラデー定数です。

Chemiluminescence experiment in a laboratory with light stick and glassware.

化学発光

化学発光とは、化学反応の結果として光（発光）が放出される現象です。励起状態の中間体（[Product]*と表記される。アスタリスクはしばしばこの中間体を表すのに用いられる）が形成されます。この中間体はその後、より低いエネルギーの基底状態に遷移し、光子の形でエネルギーを放出します。全体のプロセスは、[latex]A + B rightarrow [Product]* rightarrow Product + light[/latex]と表すことができます。

流体力学解析のためのレイノルズ平均ナビエ・ストークス方程式を用いた19世紀の研究室。.

レイノルズ平均ナビエ・ストークス（RANS）方程式

レイノルズ平均ナビエ・ストークス（RANS）方程式は、乱流流体の流れを時間平均した運動方程式です。レイノルズ分解と呼ばれるこの手法では、流れの変数を平均成分と変動成分に分離します。平均化処理によって、乱流の影響を表すレイノルズ応力テンソルという項が追加されます。この応力テンソルをモデル化することで、シミュレーションの計算処理が容易になり、方程式の整合性が確保されます。

キュリー温度

キュリー温度（[latex]T_c[/latex]）、またはキュリー点とは、特定の物質が永久磁性を失う臨界温度のことです。強磁性体の場合、[latex]T_c[/latex]を超えると常磁性体になります。この転移は相転移であり、熱エネルギーが原子モーメントの自発的な磁気秩序を引き起こす量子力学的交換相互作用を克服するのに十分な強さになることで起こります。