中学受験理科講座　電流と磁界

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磁界と方位磁針のふれ

磁石と磁界

Haru_You

今回は電流と磁界、というテーマなんだけど、まずは磁石について復習していくよ。

磁石はわかるよ。
N極とS極がくっついて、同じ極どうしだと反発するんだよね。
あとは鉄を引きつけたり。

はるか

Haru_You

磁石が引きつける金属には鉄のほかニッケル、コバルト、サマリウム、ネオジムなんてのがあるね。
その磁石の持つ力のことを磁力といって、磁力がはたらいている空間を磁界というんだ。

磁力がはたらいている空間、っていっても、目に見えないからどこまでが磁界かわからないよね。

はるか

Haru_You

そこで、方位磁針を使うんだ。

方位磁針と磁界の向き

そういえば、方位磁針って磁石の影響を受けちゃうもんね。
方位磁針の針がふれたら、そこは磁界の中ってことか。
あれ？じゃあ、なんで方位磁針はN極が北を指すんだろう。

はるか

Haru_You

実は、地球全体が巨大な磁石で、磁界を持っているんだ。
北極と南極、どっちがN極でどっちがS極か考えてみな。

北が英語でNorthだから、北極がN極じゃないの？
あれ？なんか変だな。
そしたらNとNが引きあうことになっちゃう。

はるか

Haru_You

そうだね、実は地球の磁界は北極のほうにS極があって、南極のほうにN極があるんだ。
だから方位磁針のN極は北極のほうを指し、方位磁針のS極が南極のほうを指すんだよ。
この方位磁針のN極が指す方向を磁界の向きといって、図のようにN極から出てS極まで楕円状につながるんだよ。

棒磁石のまわりでも、磁界が発生しているんだね。

はるか

Haru_You

棒磁石のまわりに書いた磁界の向きをつないだものを磁力線といって、棒磁石の上に下敷きをおいて、そこに砂鉄をまぶすときれいに形が出るのを見たことあるんじゃないかな。

電流のまわりの磁界

電流と磁界

Haru_You

で、本題に入ろう。
導線に電流を流すと、その導線のまわりに磁界ができる。
だから、電流が流れた導線のそばに方位磁針を置くと、針が振れるんだ。

なんで電気が磁界になるの？

はるか

Haru_You

疑問を持つことは大切だけど、それを説明しようとすると量子力学っていうとんでもなく難しい説明になるんだ。
物理っていうのは、この世界のルールを説明する学問でね、今はこういうルールだから覚えなさいとしか言えないんだな。
サッカーやってる人に、「なんで手を使わないの？」って聞いても仕方ないだろ。

なんでかは知らなくても、電流は磁界をつくるって覚えればいいいのね。

はるか

Haru_You

まあ、電流が磁界をつくる理由について一言で言うなら、「スピンにはスピンだ!」なんだよね。
マグマ星人だ！

聞いてもわけわかんないわ。

はるか

右ネジの法則

Haru_You

･･･改めて、導線のまわりの磁界について話を続けようか。
導線のまわりで、円を描くように磁界ができるから、導線の上と下で、磁界の向きが異なることになるんだ。

磁界の向きは決まっているの？

はるか

Haru_You

うん、＋極から−極へ流れる電流の向きに対して、右回りに磁界が向いているんだ。
ネジを締める方向と同じだから、「右ネジの法則」ていうね。

ネジを締める方向って言われても、あんまネジなんて締めないし･･･。

はるか

Haru_You

いや、水道の蛇口だって、ペットボトルのふただって、シャーペンの先っぽだって、閉めるときはみんな右回りだよ。
ガスバーナーの空気調節ねじ・ガス調節ねじだって上から見て右回りで締めて、左回りで開くんだ。

そう言われたら、たしかに回して開くものはみんな左回りで開けるね。
電流の方向に対して右回り、ってことは、方位磁針が導線の上にあったらN極が右を向いて、導線の下にあったら左を向くって考えればいいのかな。

はるか

Haru_You

まあ、そうなるんだけど、もっと簡単な考え方があるんだよ。

手のひらを導線に

Haru_You

導線の上下に方位磁針が置かれて、電流によってN極がふれる方向を考えるときは、「右手のひら」を使う方法があってね。
電流の向きに右手の指先をのばして、右手のひらを導線のある側にかざすんだ。
導線が方位磁針の上なら、上からかぶせるように、方位磁針の下なら、下に差し込むかたちになるね。

えーと、上から下に電流が流れて、導線が方位磁針の上にあるとき、手の角度がツラいね。

はるか

Haru_You

ちょうど志村けんの「アイーン」みたいな手になるね。
んで、そのときの親指の側に、方位磁針のN極がふれるんだ。
方位磁針の位置と、電流の向きで4パターンのふれかたがあるから、右手を使って確認してみてね。

いろいろな配線と方位磁針

東西方向の導線と直角になる方位磁針

さっき、導線の上下と電流の向きで4パターンって言ってたけど、電流の向きは上下だけじゃなくて左右とか斜めとかあるから、4パターンじゃすまなくない？

はるか

Haru_You

まず、方位磁針と導線がななめに交わる問題はまず出てこないから気にしないで。
斜めになってても方位磁針はふれるんだけど、実際に調べてみないとふれ方がわからないから、万一出てきたら絶対に問題文や図の中に同じように置かれている方位磁針があるはず。

同じように置かれている方位磁針と、同じふれ方を答えればいいってことか。

はるか

Haru_You

うん、その通り。
それから、方位磁針が北を向いていて、導線が東西にはられて方位磁針と直角に交わるときなんだけど･･･。

導線が上にあって、電流が東から西のとき、右手をかざすと親指が北を向くから針は動かないよね。
逆に、導線が下にあって、電流が東から西に流れると親指が南を向くんだけど、このときはどうなるの？

はるか

Haru_You

方位磁針のN極が南へふれるためには、東か西を回らなきゃいけないけど、東西へ動く力はないから、結果として針は動かないんだ。
だから、電流が東西に流れて方位磁針と直角になっていたら、方位磁針の上下や電流の向きに関係なく、方位磁針の針はふれない、って覚えておいて。
ただし、親指が南を向くときに、方位磁針に力を加えて針を動かすと、N極が南にふれることもあるからね。

垂直にはられた導線と磁界

あとさ、ここまでは導線が地面と平行にはられていたけど、もし導線が地面と垂直にはられて、そのまわりに導線が置かれていたらどうなるの？

はるか

Haru_You

地面に垂直な導線を厚紙に通して、その厚紙に方位磁針を置くって条件だね。
そのときは最初に説明した、右ネジの法則によって、円を描くような向きに針が振れるんだよ。
電流が上から下なら、上から見て右回りで、電流が下から上なら、下から見て右回りだから、上から見た針は左回りになっているよ。

このときは右手を使って考えられないの？

はるか

Haru_You

右ネジの法則では、右手の親指を電流の向きにして、残った指を握る向きが磁界の向きになるよ。
電流が下から上のときは「ぐっじょぶ！」ってポーズで、上から下のときは、ブーイングのポーズになるでしょ。

たしかに。
でも、授業中にいきなり先生に向かってブーイングのポーズやったら怒られるよね。

はるか

Haru_You

磁界の授業中なら大丈夫･･･かな？

往復する導線と磁界

Haru_You

あと、方位磁針の上や下を導線が往復する場合だね。
方位磁針に影響する電流が逆向きで同じ大きさだと、磁界も逆向きで同じ強さになるから、磁界は打ち消し合って方位磁針はふれないんだ。

じゃあ、もし一往復半してたら？
方位磁針の上で、電流が北から南へ2本と、南から北へ1本流れて、みたいな。

はるか

Haru_You

当然、1本ずつ打ち消し合うけど、北から南が1本残るから、針は西へ振れることになるよね。
これは西向きの力のほうが強かった、って考えることもできるね。

じゃあ、同じ向きの磁界を作る導線が複数あったら、針は大きく振れるってこと？

はるか

Haru_You

そうだね、方位磁針に導線を巻き付けると、方位磁針の上下で逆向きの電流が流れるから、磁界の向きは同じになって針が大きく振れるんだよ。

じゃあ、1周したら2倍ふれて、2周したら4倍ふれるってことかな？

はるか

Haru_You

いや、針のふれる角度は比例しないんだよ。
この話は改めて次でしようか。

電流の大きさと方位磁針のふれ

方位磁針のふれの大きさ

Haru_You

同じ向きの磁界を持つ導線だけじゃなく、流れる電流の大きさによって、針のふれは変化するんだ。
当然、流れる電流が大きいほど、方位磁針のふれも大きくなる。

大きくなるほど大きくなるなら、比例じゃないの？

はるか

Haru_You

比例ってのは、一方が2倍、3倍･･･になったらもう一方も2倍、3倍･･･になる関係のことだね。
たとえば、50mAの電流で36°針がふれたら、500mAの電流だと360°針がふれるってことになっちゃうだろ。

360°動いたら、元に戻っちゃうな。

はるか

Haru_You

そう、方位磁針が90°以上動くと、方角が変わっちゃうから磁界によって90°以上動くことはないんだ。
だから、電流の大きさと方位磁針のふれは比例しないってこと。
当然、導線を巻き付けるのも同じことで、何周もさせれば磁界は強くなって針も大きくふれるけど、90°以上にふれることはないんだ。

回路と方位磁針

Haru_You

で、テストで出てくるのは図のような回路で方位磁針がどのようにふれるか、って問題なんだ。

全体が並列回路で、アの側が豆電球2個直列、イの側が豆電球1個だね。
乾電池2個直列だから、イに流れる電流が2，アに流れる電流が1、全体で3の電流が流れる回路ってことか。

はるか

Haru_You

方位磁針BにはAの3倍の電流が流れていることになるけど、ふれは大きくなっても3倍にはならないのを確認しよう。

AとBで電流の向きと方位磁針の上下は同じだから、ふれる方向は一緒だね。

はるか

Haru_You

うん、AとE、BとFは電流の大きさが同じだから、ふれ幅は同じ大きさ。
AとEでは電流は逆向きだけど、導線と方位磁針の上下も逆だからふれる方向は同じになっているんだ。

CとDは、導線と方位磁針が直角だから動かないんだね。
ルールさえ覚えれば、簡単だね。

はるか

Haru_You

物理ってのは、ルールの勉強だからね。
逆に、ルールを理解せずに解こうとしても何の意味もないから、テキストを熟読してしっかり理解すること。

コイルと電磁石

コイルのN極とS極

Haru_You

方位磁針に導線を巻き付けたら磁界が強くなるって話をさっきしたじゃん。
そうやって、導線を何回も同じ向きに巻いたものを、コイルというんだ。

でんきがあるばしょにむれる。
でんきをおくるてっとうなどにビッシリとはりついていることも。

はるか

Haru_You

ラスターカノンははがねタイプ技では一番使えるよね･･･って話ではなく。
コイルは同じ向きの磁界が重なり合うから、それ自体が1本の棒磁石のような強い磁界を持つんだ。

棒磁石ってことは、N極とS極ができるってことだよね。
電流が流れてくるほうがN極？

はるか

Haru_You

図ではそうなっているけど、コイルを巻く向きがこの図の向きとは限らないからね。
前から巻く場合と、後から巻く場合があるから。
これも右手を使って考えることができて、コイルの巻き方に合わせて電流の向きに4本指を握ったときの、親指の方向がN極になるんだ。

ほんとだ。
逆向きのコイルだと、左から電流が流れたときに、手前向きに右手を握るから、右側がN極になるね。
右から流れてくれば奥向きに握って左側がN極だ。

はるか

Haru_You

結局これも4パターンしかないから、右手を使って確認してね。

電磁石

Haru_You

コイルの中に、鉄釘などの軟鉄心（なんてつしん）を入れると、中の鉄心が磁界の影響を受けて磁石になるから、コイルより強い磁界を持った「電磁石」ができるんだ。

磁石の力は鋼鉄じゃないの？
腕が飛び出すババンバン的な。

はるか

Haru_You

別に鋼鉄と軟鉄のちがいについて詳しく覚える必要はないけど説明しておくと、鋼鉄ってのは、鉄の中に炭素が多く含まれてるもので、一度磁力を帯びると永久磁石になっちゃうんだ。
一方、軟鉄ってのは炭素が少なくて柔らかい鉄なんだけど、軟鉄は磁力を保持しないんだ。
電磁石では軟鉄を使うことで、電流を止めれば磁力を失わせることができるんだ。
たとえば、スチール缶を分別する機械に電磁石を使えば、電流が流れているあいだはスチール缶だけを引き寄せて移動させて、分別する箱の上で電流を止めればくっついてたスチール缶が落っこちて分別できるってしくみができるだろ。

鋼鉄だと永久磁石になって、くっつきっぱなしになっちゃうんだね。
そしたらあれは軟鉄ジーグなのか･･･？

はるか

Haru_You

軟鉄は磁力を保持しないから、流れる電流の向きを変えれば電磁石のN極とS極を入れ替えることもできるし、流れる電流の大きさで磁力を強くすることもできるんだ。

電磁石を強くする方法

電磁石の磁力は、電流が大きいほど強くなるの？

はるか

Haru_You

うん、電流が大きいほど電磁石の磁力は強くなるよ。
テストで出る実験の範囲内なら、電流の大きさと磁力の強さは比例すると思ってていいよ。

あれ？方位磁針の動きは比例しないんじゃなかったっけ。

はるか

Haru_You

うん、方位磁針の針は比例しないけど、電磁石が持ち上げられるクリップの数、みたいな実験では、電流が2倍ならクリップの数も2倍になるんだよ。

そっか、磁力と方位磁針のふれが比例しないのか。
ほかに、電磁石を強くする方法はないの？

はるか

Haru_You

コイルの巻く回数を増やすのと、鉄心をより太いものに変える、ってのが電磁石を強くする方法だね。
鉄心が入っていないコイルを強くする場合には、軟鉄心を入れるって答え方になるね。

モーターのしくみ

電磁石の利用

Haru_You

説明してきたように、電磁石には永久磁石とはちがう便利な性質があるから、いろいろな電気製品に利用されているんだ。

たとえば？

はるか

Haru_You

掃除機、洗濯機、扇風機、なんかがわかりやすいかな。
回転する部分には、モーターが使われているんだけど、モーターの中に電磁石が入っているんだ。

じゃあ、モーターが入っている＝電磁石を使っているってことか。

はるか

Haru_You

あとは、ブザーとか非常ベルも電磁石だね。
回路の一部にバネが入っていて、電磁石がバネを引き寄せると回路が切断されて、電流が止まると電磁石が磁力を失うからバネが元に戻って、また回路がつながって電磁石ができて･･･の繰り返しなんだ。

それで、どうやって音を出すの？

はるか

Haru_You

バネが戻るときに、金属板を叩いて音が出るんだよ。

コイルモーターのしくみ

Haru_You

続いてモーターのしくみだけど、まずはシンプルなコイルモーターで説明しよう。
コイルモーターって名前通り、コイルそのものが回転するモーターになるんだ。
コイルに使う導線は、エナメル線という銅のまわりに絶縁体をぬったものを使うんだ。
今は実際にはエナメル使ってなくて、ポリウレタン被覆なんだけどね。

導線をコイル状に巻いて、両端のエナメルをはがして電流が流れるようにして、クリップで支えるのね。

はるか

Haru_You

このとき、片方のエナメルは全部はがして、もう片方は半分だけはがして，半分エナメルを残すのがコイルモーターのポイントなんだ。

エナメルが残ってたら、電流が流れなくなって電磁石じゃなくなっちゃうじゃん。

はるか

Haru_You

そう、磁石じゃなくなることが大事なんだよ。
コイルの上下、単純なコイルモーターなら下だけに界磁（かいじ）という永久磁石を置くんだけど、その界磁のN極とコイルのN極が反発すると、コイルが回転するじゃん。

そしたら、コイルのS極が界磁のN極に近づいてくるよね。
あれ？そしたら、回転が止まっちゃうよね、N極とS極がくっついて。

はるか

Haru_You

だから、半回転したところで電流が流れなくなるようにエナメルを残すんだよ。
磁界を失ったコイルが、回転した勢いでそのままもう半回転してもとの状態に戻れば、また界磁のN極とコイルのN極が反発して回転が続くんだ。

界磁の磁極は変えられないから、半回転ごとに磁力を失って勢いで回らないといけないんだね。

はるか

Haru_You

なのでコイルモーターはあまり大型化できないんだよね。
重みで回らなくなるから。
私立中学校の物理部が巨大コイルモーターに挑戦、なんてのを文化祭でやっているのをよく見かけるよ。

直流2極モーターのしくみ

Haru_You

実用的なモーターは、勢いだけで回る時間を少しでも減らせるように工夫されているんだ。
直流2極モーターでは、回転する部分である電機子（でんきし）が、半回転ごとにN極とS極が入れ替わるように整流子（せいりゅうし）とつながっているんだよ。

半回転ごとに整流子が接触するブラシが入れかわるから、電流が逆向きになってN極とS極も入れかわるんだね。
でもさ、ちょうど整流子のすきまの瞬間でモーターを止めたら、次は動けなくなるよね。

はるか

Haru_You

うん、直流2極も実用的ではなく、解説と実験用だね。
実際のモーターは、電機子が3極や4極になって、どこからでも回転できるようになっているんだよ。

電磁誘導・発光ダイオード

電気をつくる方法

Haru_You

モーターがコイルに電気を流すことによって回転してるから、逆に、永久磁石の磁界の中でコイルを手で回転させると、電流が発生するんだ。
手回し発電機なんかは、そのメカニズムを利用したものだね。

なんで？って思っちゃうけど、これも今は覚えるしかないんだよね。

はるか

Haru_You

磁界の中でコイルを動かすと、その動きを妨げるように磁界が発生することを「電磁誘導」といって、電磁誘導によって発生する電流を「誘導電流」というんだけど、この辺の話は中学受験ではあまり扱わないね。
中学に入ってすぐ、フレミングとかレンツとか説明されるけど、「なんで？」って問の答えは説明されなくて、物理嫌いが増えちゃう原因の一つなんだよね。
中学受験では、発電所のしくみの説明として出題されるから覚えておいて。

そういや、火力発電所や原子力発電所って、お湯わかして水蒸気でタービンを回すって習ったっけ。
あの「回す」の部分がこの誘導電流なんだね。

はるか

発光ダイオード

Haru_You

最後に、回路に使う電子部品で、たまにテストで出てくるものを紹介しようか。
まず、コンデンサ（キャパシタ）という部品があって、電流を蓄えることができるんだ。

じゃあ、充電池とかバッテリーみたいなもんか。

はるか

Haru_You

専門的な話をすると全然違うんだけど、受験では出ないからいいや。
それから、発光ダイオード（LED）という部品があって、これは豆電球と同じように電流を流すと光るんだ。

LEDは聞いたことあるよ。
LED電球のほうが、ふつうの電球より長持ちして省エネなんだよね。

はるか

Haru_You

うん、あと発光ダイオードには＋端子と−端子があって、＋端子を＋極につながないと光らないのが、豆電球との違いだね。
発光ダイオードは豆電球よりも小型で安くて長持ちして電気の消費も少ないっていう、夢のような部品なんだよ。
今どこにでもある液晶テレビやスマホの画面は、青色発光ダイオードが開発されたことによって実用化されたものなんだ。

開発した人は、これでノーベル賞ももらったんだね。

はるか

電流と磁界　一問一答演習問題プリント

演習プリントには、Excelファイル版とPDFファイル版があります。
Excelファイル版はリロード・再計算（F8）するたびに数字や配列が変わります。
マクロは使用していませんので、セキュリティ警告はありません。
なお、PDF版では20問の収録ですが、Excel版にはより多くの問題を収録しています。

はるか