第二種電工 電気の基礎理論 問77｜可動鉄片形計器の特性

可動鉄片形計器は、コイルに電流を流すと生じる電磁力で鉄片（軟鉄片）を吸引・反発させて指針を動かす計器（正答ウ）。コイルに電流が流れると鉄片が吸引される力は電流の極性（向き）に関係なく、常に「引っ張られる」方向に働くため、交流でも直流でも使用できる。指示値は電流の実効値（RMS値）を示す。アは誤り（可動鉄片形は交直両用）。イは可動コイル形の説明で誤り（可動鉄片形の目盛りは非等間隔・2乗特性）。エは熱電形計器の説明で誤り。商用周波数（50/60Hz）の交流測定に広く使われる計器。

可動鉄片形計器の特性を問う問題。他の計器との比較で整理する。

【可動鉄片形計器の動作原理】

コイルに電流（I）を流すと磁界が発生し、コイル内に置かれた軟鉄片が吸引・偏向される。

力 F ∝ I²（吸引力は電流の2乗に比例）

電流の向きが逆になっても（交流の場合）、磁界の向きと鉄片の磁化の向きが同時に逆になるため、吸引力の向きは変わらない → 交直両用で使える

指示角 θ ∝ I²（非線形・2乗特性）→ 目盛りは不等間隔（小電流側が密・大電流側が広い）

指示値：交流の場合は実効値（RMS値）を示す（I²の時間平均の平方根 = 実効値）

【主要計器の特性比較】

【各選択肢の判定】

ア（直流専用）：誤り。可動鉄片形は交直両用

イ（等間隔目盛り）：誤り。等間隔は可動コイル形。可動鉄片形は2乗特性で不等間隔

ウ（交直両用・実効値）：正答

エ（熱電対内蔵）：誤り。熱電形計器の説明

【使用場面】

屋内配線の電流測定・商用周波数の交流回路でよく使われる（電流計・電圧計として）。

感度は可動コイル形より劣るが、頑丈で大電流向き。

可動鉄片形計器の動作原理・設計・実効値の意味・現代計器との比較まで体系的に整理する。

【可動鉄片形計器の詳細動作原理】

吸引型（円盤型）：

①コイルに電流 I を流す → コイル内部に磁界 H = NI/l が生じる

②コイル内の軟鉄片（扇形）が磁化 → 吸引力で偏向

③偏向トルク T_drive ∝ I² × dM/dθ（M：相互インダクタンス、θ：偏向角）

④バネ制動トルク T_spring = K × θ と釣り合う位置で停止

指示角 θ = (1/K) × I² × dM/dθ（θ に非線形依存 → 不等間隔目盛り）

反発型（2枚鉄片型）：

コイル内に固定鉄片と可動鉄片の2枚を配置。電流で両鉄片が同じ極性に磁化 → 同極同士の反発力で可動鉄片が偏向。

吸引型より振れ角が大きく取れる（使いやすい）。

【実効値（RMS値）の物理的意味】

実効値 = 交流電流と同じ熱効果（ジュール熱）を生じさせる直流電流値：

I_rms = sqrt(1/T ∫₀ᵀ i(t)² dt)

可動鉄片形の偏向トルク ∝ I² の時間平均 = I_rms²

→ 自然に実効値に比例した角度で静止する → 実効値計として動作

正弦波 i(t) = I_max × sin(ωt) の場合：

I_rms = I_max / √2 = 0.707 × I_max

波形歪み（インバータ・PWM出力）の場合でも：

可動鉄片形は i(t)² の時間平均 → 波形形状によらず常に「真の実効値」を指示

→ 可動鉄片形は「True-RMS」計器に分類される（整流形は正弦波前提で波形歪みに誤差）

【可動鉄片形計器の誤差要因】

①周波数誤差：

高周波では渦電流・ヒステリシス損が増大 → 商用周波数（50/60Hz）の測定が最適域

精密型では周波数補正回路を追加（測定精度±0.5%、周波数範囲 45〜65Hz）

②温度誤差：

コイル抵抗の温度変化（特に電圧計として使う場合）→ 電圧コイルの直列抵抗に温度補償抵抗（マンガニン）を使用

③磁気ヒステリシス誤差：

前回の大電流測定後に残留磁気 → 次の測定値が影響を受ける

→ 軟鉄片の材質（珪素鋼板・アモルファス鉄）選択で低減

【デジタル計器との比較】

現代のデジタルマルチメータ（DMM）の実効値測定：

True-RMS DMM：A/D変換でサンプリング → マイコンで RMS = sqrt(1/N × Σi[n]²) を演算

サンプリング周波数：10〜100kHz（高調波成分まで測定可能）

可動鉄片形の周波数上限：500Hz〜1kHz（機械的応答限界）

アナログ計器（可動鉄片形）の利点：

①電池不要・停電時も使用可

②衝撃・振動に強い（機械構造）

③連続的な指針で変動がわかりやすい

④電磁ノイズの影響が少ない（電子回路なし）

現場での使い分け：

配電盤パネル電流計 → 可動鉄片形（頑丈・電源不要・大文字盤）

精密計測 → True-RMS DMM（波形歪み対応・高精度）

活線作業での電流測定 → クランプメータ（非接触）

【インバータ時代の計器選択の重要性】

2025年以降の電気設備には多数のインバータが普及：

空調・ポンプ・コンプレッサ → PWMインバータ駆動

LED照明・スイッチング電源 → 非正弦波電流

整流形計器（正弦波前提）で測定 → 大きな誤差（±10〜30%）

可動鉄片形（True-RMS）・熱電形 → 波形歪みに関わらず正確

省エネ法の定期報告（エネルギー管理）では「真の実効値」でエネルギーを計測する要件あり

→ インバータ設備の多い現場では True-RMS 計器の使用が事実上必須

【電験三種への接続】

電験三種「理論」：各種電気計器の特性（計器の種類・交直両用性・指示値の種類・目盛り特性）・実効値の定義と計算が必出。「法規」：電力量計の検定制度（計量法）・インバータ設備のエネルギー計測基準（省エネ法施行規則）。

第二種電気工事士では「可動鉄片形 = 交直両用・実効値指示・不等間隔目盛り」の3点をセットで覚えることが基礎。可動コイル形（直流専用・平均値・等間隔）との対比表を頭に入れておくと選択肢の誤りを瞬時に見抜ける。