磁界

磁力

磁石にはN極とS極があり同じ種類の極(N極とN極、S極とS極)どうしではしりぞけあい、異なる種類の極(N極とS極)どうしでは引き合う。このような磁石の力を磁力という。　磁力は離れていてもはたらく力である。

磁界とは

磁力のはたらく空間のことを磁界(または地場)という。
磁界は磁石だけでなく電流によってもつくられる。
磁力線…磁界を表す線。図のようにN極からS極に向かって描いた曲線が磁力線である。
磁力線の密なところでは磁力が強い。
磁界の向き…磁界はN極からS極へ向かう。磁界の中で方位磁針を置くと方位磁針のN極は磁界の向きを指す。棒磁石による磁界

真っ直ぐな導線に電流を流したときの磁界

電流を流すと、その周りに同心円を描くように磁界ができる。

右手の法則

電流の作る磁界を右手を使って確かめる。親指を電流の向きに合わせると残りの4本の指が磁界の向きを指す。

例…紙を貫くように上から下へ電流を通すと、紙面上には図のような磁界ができる

コイルによる磁界

コイルに電流を流すと図のような磁界ができる。

コイルに電流を流したときの磁界を確かめる場合も右手を使う。親指以外の4本の指をコイルを流れる電流の向きに合わせると親指が磁界の向きを指す。

電流が磁界から受ける力

磁界のなかで電流を流すと、元の磁界が変化する。この変化をもとにもどす方向に電流は力を受ける。
受ける力の大きさは電流が強いほど、磁界が強いほど大きくなる
電流の向きを変えず、磁石のN極とS極の向きを入れ替えると力の向きは逆になり、磁石の向きを変えずに電流の向きを変えると力の向きは逆になる。
磁石による磁界(図の黄色矢印)のなかで手前から奥へ
電流を流す。すると電流による磁界(緑色)ができる。
電流の向かって右側では緑と黄の磁界が両方共下向き
なので、磁界が強まり、向かって左側は上向きと下向き
なので磁界が弱まる。
この黄色の磁界と緑色の磁界を合成すると
下の図の赤い線のようにゆがんだ磁界になる。
ゆがんだ磁界(赤)が、磁石のもとの磁界(黄)に
もどろうとするので、電流が力を受ける。

モーター

電気エネルギーを運動エネルギーにかえる装置。電流が磁界から受ける力を利用し、ブラシと整流子で電流の流れる向きを変え、コイルが連続で回転するようにしている。
Aでは整流子の灰色の部分が+のブラシにつながって
図のように力を受けて回転する。 Bでは電流が流れないが勢いでまわり続ける。 Cでは整流子の黄色の部分が+のブラシにつながるので
その結果Aと同じ向きに力を受ける。 Dでは電流が流れずに勢いで回る。

コイルの中の磁界を変化させる

コイルの中の磁界を変化させると、変化を元に戻す方向に電流が流れる。
この現象を電磁誘導といい、この時流れる電流を誘導電流という。

N極をコイルに近づけるように動かすと、
コイルの中を通る下向きの磁力線が増える。
コイルは、これを妨げるため、上向きの磁界を
発生させるような電流が流れる。
また、逆にN極を遠ざけるように動かすと
逆向きの電流が流れる。

誘導電流の大きさ

誘導電流を強くするには
磁石を速く動かす。
磁力が強い磁石を使う。
コイルの巻き数を多くする
※コイルも磁石もともに止まっているときは誘導電流は発生しない。
どれほど強い磁石をつかってもコイルの巻数がどれほど多くても磁界が変化しない限り誘導電流は0である。

発電機

電磁誘導を利用して電流を発生させる装置が発電機である。

交流と直流

直流

流れる向きが時間によって変化しない(一方向にしか流れない)電流を直流という。
電池による電流は直流である。

交流

流れる向きと大きさが周期的に変化する電流を交流という。
発電所の発電機から得られる電流は交流である。
1秒間に変化する回数を周波数といい、単位Hz(ヘルツ)で表す。家庭のコンセントの電流は東日本では50Hz, 西日本では60Hzである。
交流は変圧器を用いると簡単に電圧を変えることができる。そのため、発電所からは大きな電圧で電気を送り出して、送電の途中で変圧器によって電圧を下げ、家庭では100Vや200Vで使えるようにしている。

補足説明(含発展的内容)

フレミングの左手の法則

電流が磁界から力を受けるときの力の向きを表す方法。左手の親指、人差し指、中指をたがいに直角になるように開く。人差し指を磁界の向きに、中指を電流の向きに合わせると親指が指す方向が力の向きになる。

レンツの法則

コイルを貫く磁力線の数が変化すると、その変化を妨げる方向に誘導電流が生じる。これをレンツの法則という。

基本事項の確認

磁石にはN極とS極があり同じ種類の極どうしではしりぞけ合い、異なる種類の極どうしでは引き合う。磁石の力を磁力という。磁力のはたらく空間のことを磁界(または地場)という。磁界は磁石だけでなく電流によってもつくられる。磁界を表す線を磁力線という。磁力線の密なところでは磁力が強い。磁界はN極からS極へ向かう。磁界の中で方位磁針を置くと方位磁針のN極は磁界の向きを指す。電流を流すと、その周りに同心円を描くように磁界ができる。磁界のなかで電流を流すと、元の磁界が変化する。この変化をもとにもどす方向に電流は力を受ける。電流の向きを変えず、磁石のN極とS極の向きを入れ替えると力の向きは逆になり、磁石の向きを変えずに電流の向きを変えると力の向きは逆になる。コイルの中の磁界を変化させると、変化を元に戻す方向に電流が流れる。この現象を電磁誘導といい、この時流れる電流を誘導電流という。磁石を速く動かすと誘導電流が大きくなる。磁力が強い磁石を使うと誘導電流が大きくなる。コイルの巻き数を多くすると誘導電流が大きくなる。コイルも磁石もともに止まっているときは誘導電流は発生しない。電磁誘導を利用して電流を発生させる装置が発電機である。流れる向きが時間によって変化しない(一方向にしか流れない)電流を直流という。流れる向きと大きさが周期的に変化する電流を交流という。電池による電流は直流である。発電所の発電機から得られる電流は交流である。 1秒間に変化する回数を周波数といい、単位Hz(ヘルツ)で表す。家庭のコンセントの電流は東日本では50Hz, 西日本では60zである。交流は変圧器を用いると簡単に電圧を変えることができる。