インダクタンスとは何か

インダクタンスとは何か？

インダクタンスは、電流の流れが変化したときに、高周波成分を持つ信号を通過させず、低周波成分を持つ信号を通すために利用されます。これがインダクタが「チョーク」とも呼ばれる理由であり、高周波を効果的に抑制するからです。チョークの一般的な用途の一つは、トランジスタのコレクタに直流電圧を供給しつつ、RF（無線周波数）信号が直流電源に戻らないようにするラジオ増幅器のバイアス回路です。

約160万キロメートルの長さのワイヤーを想像してみてください。このワイヤーを巨大なループにし、両端を図1のようにバッテリーの端子に接続して電流を流すとします。

この実験で短いワイヤーを使用した場合、電流はすぐに流れ始め、ワイヤーとバッテリーの抵抗によって制限される最大値まで達します。しかし、非常に長いワイヤーを使用しているため、電子は負極からループを一周し正極に戻るのに時間がかかります。そのため、電流が最大値に達するまでには時間がかかります。

ループによって生じる磁場は、最初の数瞬間は小さく、一部のループのみに電流が流れるときに始まります。電子がループを一周すると磁場は強くなり、電子が正極に到達し全体のループに定常的な電流が流れると、磁場の量は最大になり一定になります（図2）。その時点で、磁場に一定量のエネルギーが蓄積されます。この蓄積されたエネルギーの量は、ループの大きさによるインダクタンスに依存します。インダクタンスは、性質や数学的な変数として表記する際、イタリック体の大文字Lで示されます。私たちのループはインダクタを構成しています。インダクタを略す際は、大文字の非イタリック体のLを書きます。

図1. インダクタンスの原理を説明するために、巨大な想像上のワイヤーループを使用することができます。

もちろん、直径160万キロメートルのワイヤーループを作ることは不可能です。しかし、比較的長い長さのワイヤーをコンパクトなコイルに巻くことができます。これにより、単一のループよりも与えられた長さのワイヤーで生成される磁束が増加し、インダクタンスが上がります。さらに、コイル内にフェローマグネティックな芯を入れると、磁束密度が上がりインダクタンスがさらに増加します。

空気芯やプラスチック芯、乾燥した木製の芯を持つ同サイズのコイルよりも、フェローマグネティックな芯を使用することで、Lの値を大幅に増やすことができます。（プラスチックや乾燥した木材は、空気や真空と比べて透磁率がほとんど変わらないため、エンジニアはこれらの材料をコイルの芯や「フォーム」として使用し、巻線の構造強度を追加することもありますが、インダクタンスに大きな影響を与えることはありません。）インダクタが扱うことができる電流は、ワイヤーの直径に依存しますが、Lの値はコイルの巻き数、コイルの直径、およびコイルの全体的な形状にも依存します。

他のすべての要素を一定に保った場合、螺旋状のコイルのインダクタンスはワイヤーの巻き数に比例して増加します。また、コイルの直径に比例してインダクタンスも増加します。一定の巻き数と直径を持つコイルを伸ばすと、他のすべてのパラメータを一定に保った場合、そのインダクタンスは減少します。逆に、細長いコイルを縮める場合、他のすべての要素を一定に保った場合、インダクタンスは増加します。

通常の状況下では、コイル（またはインダクタとして機能する他の任意の装置）のインダクタンスは、適用する信号の強さに関わらず一定です。ここで「異常な状況」とは、インダクタのワイヤーが溶けたり、コア材が過度に熱くなるほど強い信号が適用される場合を指します。良好なエンジニアリングセンスは、このような条件が適切に設計された電気または電子システムでは決して発生しないことを要求します。

図2. 電流源に接続された巨大なワイヤーループの内部および周囲の相対的な磁束の時間関数。

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