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コイルが電流で電磁石になる仕組み~電流の向きと方位磁針との関係

2018年6月28日 東荘一

電気の領域では、右手を使って仕組みを理解する部分が2ヶ所あります。1つ目は「導線に流れる電流と磁力線の方向」、2つ目は「コイル(電磁石)に流れる電流とN極の方向」を確認するものです。

今回は、1つ目の右手の仕組みは前半の、2つ目の右手の仕組みは後半の中心テーマなので、どちらの話をしているのか混乱しないよう注意が必要です。これから何度も繰り返しますが、必ず自分の右手で確認しながら読み進めるようにしてください。

この記事は「磁力線と電流と方位磁針の関係まとめ」の内容を前提にして記述していますので、まずはそちらの記事からご覧ください。

コイルが電流で電磁石になる仕組み~電流の向きと磁力線の基礎

まず結論から述べますと、コイルに流れる電流の向きと電磁石のN極・S極との関係は上図に示すとおりです。右手の4本指を電流の向きに合わせたとき、親指の指す方向が電磁石のN極です。

このことさえ知っていれば、モーターも含めてコイル(電磁石)の問題はすべて解くことができます。大事なことは、説明を見てうなずくのではなくて、必ず自分の右手を使って確かめるということ。

この記事の目的は、なぜそうなるのかを明らかにすることです。理由まではっきりと理解してしまえば、ケアレスミスもなくなるはず。もう一度、原点にもどって、電流と磁力線との関係をじっくりと考えてみましょう。

コイルが電流で電磁石になる仕組み~電流の向きと磁力線その1

上の図は、導線に電流が流れたときに生じる磁力線の様子を示しています。電流が流れる前に空間に存在するのは導線だけですが、その導線に電流が流れた瞬間から電流(導線)の周りに磁力線が発生します。

図では磁力線の輪を4本しか掲載していませんが、導線の周りには磁力線が充満しており、説明の都合上4本だけ記載していると理解してください。電流の流れる方向と磁力線の向きとの関係は、「右ネジ」方向です。

中学受験で対象となる電気の領域では、右手しか使いません。決して左手を使わないでください。左手を使った瞬間から、すべての答えが真逆になってしまいます。電流の流れる方向に右手の親指を合わせると、磁力線は右手の残り4本指方向に向けて走ります。

コイルが電流で電磁石になる仕組み~電流の向きと磁力線その2

次に、まっすぐだった導線を、少しだけ曲げてみます。磁力線はあくまでも電流の周りに生じますから、この場合も磁力線は電流(導線)に沿って湾曲したような感じになります。

先ほどと同じように磁力線は4本しか掲載していませんが、よく見ていただくと磁力線の方向は常に電流方向に対して「右ネジ」方向であることが分かると思います。

コイルが電流で電磁石になる仕組み~電流の向きと磁力線その3

さらに湾曲させて、導線がほぼ1回転した状態ではどうでしょうか。4本の磁力線を、上下左右に配置しています。絵をみてうなずくのではなく、必ず右手を使って確認することを忘れないでください。

この図を上方向から下に向かってながめると、左側にある磁力線は時計回り、右側にある磁力線は反時計回りに走っています。上と下、右と左では、磁力線がちょうど逆の方向に回転していることが分かります。

コイルが電流で電磁石になる仕組み~電流の向きと磁力線その4

こちらの図は、導線を3回転させた状態です。上下左右に掲載した磁力線の方向は、さきほどと変わっていません。1回転した導線が3つ続いただけなので、磁力線は方向が変わらず強まった状態になっています。

図に掲載したように、上下左右それぞれの位置における電流と磁力線との関係を右手で示しています。必ず自分の右手で確認してください。赤色で示したように、例えば真ん中の位置に着目してみると、上下左右のすべてが同じ方向を向いています。

このようにして導線を何回も巻いていくと、いわゆるコイルの状態になります。導線を同じ方向に巻いたものをコイルといい、コイルに電流を流すと電磁石になります。実は上図はすでに電磁石の状態なのです。

上図を見ても電磁石とは思えないかもしれないので、もっと多く巻いた場合を想定し、次節でさらに説明を加えます。ここまでの延長の姿を思い浮かべながら、次に進んでください。

コイルが電流で電磁石になる仕組み~電流の向きと方位磁針の関係

導線を一定方向に巻いて、いよいよコイルの解説となります。いきなり大げさな絵から始まりますが、前半の延長なので落ち着いて取り組んでください。

コイルと方位磁針~電流の向きと方位磁針の関係その1

さきほどの延長といいながら、1点だけ逆方向となっている点に注意してください。さきほどはコイルの右側からながめると電流は反時計回りでしたが、この図では右側からコイルをながめると時計回りに流れています。

つまりコイルに流れる電流と電磁石の関係を考えるときに、コイルが右巻なのか左巻なのかはまったく関係なく、単純に電流の流れる向きだけが関係するということです。

問題を解く際には、電流の流れる方向を問題用紙の絵に矢印で書き込むことが重要です。たとえば上図のコイルの手前側は、すべて上方向に電流が流れています。右手の親指を上に向けたとき、コイルの中にある方位磁針の位置では磁力線が左方向に向くことを確認してください。

磁力線は磁石のN極からS極に向かいますから、磁力線の様子が分かれば磁石の様子に置き換えることができます。方位磁針のN極は、磁力線が走る方向に向きます。

コイルと方位磁針~電流の向きと方位磁針の関係その2

これまでは、右手を「電流の方向と磁力線の向き」を確認するために使いましたが、次は「電流の方向と電磁石のN極の位置」を確認するために右手を使います。電流の方向と右手の4本指の方向を合わせたとき、電磁石のN極は右手親指の方向になります。

ここでやっと最初の絵に戻ってきました。コイル(電磁石)のN極・S極は単純に電流の向きしか関係ありませんから、基本的には上図のどちらかです。コイルを巻く向きを逆にした下の図の場合も、電流がコイルをどの向きで流れるかさえわかればN極・S極の向きがわかることを確認してください。

問題を何も考えずに解いたとしても、正解する確率は50パーセント。そこからさらに間違えてしまわないよう、右手の2つの使い方に慣れてしまいましょう。

まとめ

◎ 「導線に流れる電流と磁力線の方向」を確認するときは、右手を使います。

◎ 「コイル(電磁石)に流れる電流とN極の方向」を確認するときも、右手を使います。

◎ 試験の本番でも、必ず右手を使って方向の確認をしましょう。

※記事の内容は執筆時点のものです

この記事の著者

京都大学工学部、東京大学大学院(工学)、世界最大の外資系コンサルティング会社の共同経営者(パートナー)を経て、教育業務を開始。業界最大手の中学受験塾で、小学3~6年生3000名以上の理科を担当し、習熟度に応じて幅広い学習指導を行いました。学習方法や各テーマの解説をおこなう、小学生向けサイト(偏差値アップの勉強法)を運営しています。以下のリンクからご覧ください。

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