今回は平成24年度 機械科目 A問題12を解説します。誘導加熱の原理（渦電流・ジュール熱）と、表皮効果・電流浸透深さに関する空所補充問題です。★電気加熱12（令和4年度下期A問題12）と同じ誘導加熱・表皮効果というテーマを扱う類題です。
交番磁束中の導電性被加熱物に生じる渦電流によるジュール熱で加熱するのが誘導加熱です。渦電流は表皮効果によって被加熱物の表面付近に集中し、周波数が高いほど電流浸透深さは浅くなるため、深部まで加熱したい場合は周波数を低くする必要があります。
平成24年度 機械科目 A問題12：問題文と選択肢
まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。
出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「平成24年度 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題12
電験3種 機械科目 【電気加熱】 平成24年度 A問題12
次の文章は，電気加熱に関する記述である．
導電性の被加熱物を交番磁束内におくと，被加熱物内に起電力が生じ，渦電流が流れる．（ア）加熱はこの渦電流によって生じるジュール熱によって被加熱物自体が昇温する加熱方式である．抵抗率の（イ）被加熱物は相対的に加熱されにくい．
また，交番磁束は（ウ）効果によって被加熱物の表面近くに集まるため，渦電流も被加熱物の表面付近に集中する．この電流の表面集中度を示す指標として電流浸透深さが用いられる．電流浸透深さは，交番磁束の周波数が（エ）ほど浅くなる．したがって，被加熱物の深部まで加熱したい場合には，交番磁束の周波数は（オ）方が適している．
上記の記述中の空白箇所(ア)，(イ)，(ウ)，(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ．
（ア） （イ） （ウ） （エ） （オ） (1) 誘導 低い 表皮 低い 高い (2) 誘電 高い 近接 低い 高い (3) 誘導 低い 表皮 高い 低い (4) 誘電 高い 表皮 低い 高い (5) 誘導 高い 近接 高い 低い
(ア) 誘導加熱の仕組み
交番磁束の中に金属を置くと、電磁誘導で起電力が生じます——金属の中を渦を巻いて流れるので渦電流。そのジュール熱で金属自身が発熱します。
| 誘電加熱 | 誘導加熱 | |
| 使うもの | ★交番電界 | ★交番磁界（磁束） |
| 被加熱物 | ★誘電体（絶縁物） | ★導体（金属） |
| 発熱の仕組み | 誘電損 | 渦電流によるジュール熱 |
| 周波数 | 数MHz〜数GHz | 50 Hz〜数百kHz |
| 例 | 電子レンジ、木材乾燥 | IH調理器、金属の溶解・焼入れ |
「導電性の被加熱物」「交番磁束」——この2語で誘導加熱だと決まります。誘電加熱なら「誘電体」「交番電界」です。
変圧器の鉄心では渦電流損は「損失」——ところが誘導加熱では、それこそが目的。同じ現象が、用途によって損失にも有効利用にもなるのです。
(イ) 抵抗率が低いと加熱されにくい
直感に反するように思えるかもしれません——「電気を通しやすいほうが電流が流れて熱くなりそう」と。
ところが実際は逆——誘導加熱で被加熱物に生じる等価抵抗は √ρ に比例します。抵抗率が低いほど、発熱が小さくなるのです。
| 金属 | 抵抗率 | 比透磁率 | 誘導加熱のしやすさ |
| 鉄 | 高め | ★数百〜数千 | ★加熱しやすい |
| ステンレス | 高い | 種類による | 加熱しやすい |
| アルミニウム | 低い | 1 | ★加熱しにくい |
| 銅 | ★最も低い | 1 | ★最も加熱しにくい |
IH調理器で鉄鍋は使えるのに、アルミ鍋は使いにくい——まさにこの性質です。抵抗率が低く、比透磁率も1 のアルミは効率よく発熱しません。
鉄は抵抗率が高いうえに比透磁率が大きい——磁束が集まりやすく、渦電流も大きくなる。だからIH には鉄が最適なのです。
(ウ)(エ)(オ) 表皮効果と電流浸透深さ
交流は導体の表面に集まって流れます——これが表皮効果。「近接効果」は別の現象（近くの導体の影響で電流分布が偏る）です。
周波数の平方根に反比例——f が4倍になれば δ は半分です。だから(エ)は「高いほど浅くなる」——(オ)は「深部を加熱したいなら低い周波数」になります。
| 用途 | 周波数 | 浸透深さ | ねらい |
| ★表面焼入れ | 数十〜数百kHz | ★浅い（数mm） | 表面だけ硬く、内部は粘り強く |
| IH調理器 | 20〜60 kHz | 数mm | 鍋底で発熱 |
| ★金属の溶解 | 50 Hz〜数kHz | ★深い（数cm） | 全体を均一に溶かす |
表面焼入れは、まさに表皮効果を積極的に利用した技術——歯車の歯面だけを硬くするといった使い方をします。周波数の選択が、そのまま加熱深さの選択になるのです。
⚠️ よくある間違い
(エ)と(オ)を同じ向きに答えてしまう——この2つは逆になるのが正しい形です。
(エ)は「周波数が高いほど浅い」——(オ)は「深く加熱したいから低い周波数」。(エ)の裏返しが(オ) です。
選択肢(1)は(エ)低い・(オ)高い——両方とも逆になっています。「浅くなる」という言葉の向きを、図に描いて確認してください。
(ウ)の「近接効果」も紛らわしい——表皮効果は1本の導体の中の話、近接効果は複数の導体の間の話です。
⏱️ 本番での進め方
①(ア) 交番磁束＋導体＝誘導加熱。
②(イ)★抵抗率が低いほど加熱されにくい（銅・アルミ）。
③(ウ) 表皮効果。近接効果ではない。
④(エ)(オ)★高周波は浅く、深部加熱には低周波。逆向き。
💡 覚え方
「IH でアルミ鍋は使いにくい」——抵抗率が低いと加熱されにくいことの実例です。そして「高い周波数は浅く」——δ は√f に反比例 と押さえましょう。
誘電加熱との対比は平成27年度 A問題13にあります（電気加熱：電気ストーブの熱伝達と誘電加熱）。
電流浸透深さを実際に計算する
公式に数値を入れて、感覚をつかんでおきましょう。
| 材料・条件 | 浸透深さ δ |
| 銅・50 Hz | ★約9.3 mm |
| 銅・20 kHz | 約0.47 mm |
| 鉄・50 Hz（μr＝1000） | ★約1 mm |
| 鉄・20 kHz | 約0.05 mm |
鉄は比透磁率が大きいので、銅よりずっと浅い——磁束が表面に集まりやすいからです。だから鉄はIH で効率よく発熱します。
商用周波数50 Hz でも、銅では1 cm 程度——太い電線では中心にほとんど電流が流れません。送電線が中空だったり、素線を撚り合わせたりするのはこのためです。
周波数を4倍にすると
δ は√f に反比例——f を4倍にすれば δ は半分になります。
2倍にしたいなら周波数を4分の1——平方根の関係なので、変化はゆるやかです。浸透深さを大きく変えるには、周波数を桁で変える必要があります。
渦電流は損失にも利用にもなる
同じ渦電流が、場面によって正反対の扱いを受けます——電験3種の他分野との関連を確認しておきましょう。
| 場面 | 渦電流の扱い | 対策・利用 |
| 変圧器の鉄心 | ★損失（減らしたい） | ★薄い鋼板を積層する |
| 回転機の鉄心 | 損失 | 同じく積層 |
| ★誘導加熱 | ★目的（増やしたい） | 周波数を上げる |
| 渦電流式ブレーキ | 利用（制動力） | 電車の渦電流ブレーキ |
渦電流損は周波数の2乗と板厚の2乗に比例——だから鉄心は薄い板を重ねるのです。逆に誘導加熱では、周波数を上げて渦電流を大きくすることになります。
「損失を減らす技術」と「発熱を増やす技術」は表裏一体——変圧器の知識が、そのまま電気加熱の理解につながるのです。
誘導加熱の効率
コイルと被加熱物の距離が近いほど効率がよい——磁束が漏れずに被加熱物へ入るからです。
IH調理器で鍋を浮かせると加熱されなくなるのは、磁束の結合が弱まるため——変圧器の漏れ磁束と同じ考え方になります。
まとめ
| （ア） | 誘導 |
| （イ） | 低い |
| （ウ） | 表皮 |
| （エ） | 高い |
| （オ） | 低い |
| 答え | (3) |
▼あわせて解きたい関連問題
・各種電気加熱方式の記述の正誤判定：【機械】令和4年度下期A問題12
・誘導加熱の記述の正誤判定（渦電流・表皮効果）：【機械】平成29年度A問題13
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