【中学受験理科】電磁石 電流と発熱を図解で総まとめ—磁界 コイル 発熱の実験 発電｜武蔵野個別指導塾

コイルの極を右手で調べる図と、水温上昇のグラフを使い、電磁石と発熱の問題を順に解きます。電熱線の太さや長さを比べる条件、モーターと発電の違いまで家庭で確かめられます。

よくあるのは、朝の通学路の坂で自転車のライトを見たお子さまが、「電池がないのにどうして光るの」と尋ね、発電の話から電磁石の話になると説明が止まってしまう場面です。タイヤの回転を利用する発電機では、磁石とコイルの相対的な位置が変わることで電気を取り出します。電気を使って磁石のはたらきを生む電磁石と、つながりの深いしくみです。ただし、自転車のライトには電池式もあるので、光っているという事実だけで発電式とは決められません。

電流は、磁石のはたらきを生むだけでなく、電熱線を熱くしたり、モーターを回したりします。この単元で整理したいのは、「電流を変えたのか」「導線の巻き方を変えたのか」「同じに保った条件は何か」という区別です。そこがはっきりすると、磁石の極を問う問題も、水温の表を読む問題も、確かめる順番を自分で決められます。身近な道具を思い浮かべながら、図、表、言葉を結びつけて考えていきましょう。

この単元で身につけること

• 磁石の極と磁界を区別します。極は磁石の両端の性質を表し、磁界は磁石の力がはたらく空間です。方位磁針のN極が向く向きから、磁界の向きを読み取れます。
• 電磁石の強さを比べる条件を選びます。電流の大きさ、コイルの巻き数、鉄しんの有無を分け、調べたい条件以外をそろえて表を読みます。
• 右手を使ってコイルのN極を判断します。電流の向きと導線の巻き方を図からたどり、極が入れかわる場合と入れかわらない場合を説明します。
• 電熱線の発熱を、水の温度上昇から比べます。水の重さと通電時間をそろえ、長さや太さの違いによる結果を条件つきで説明します。
• モーターと発電機を、エネルギーの移り変わりで区別します。電気から運動を取り出すのか、運動から電気を取り出すのかを言葉にします。

前に学ぶ電気回路の「電流が流れる道筋」と、熱の単元の「水の重さと温度変化」が土台になります。計算に入る前に、回路がつながっているか、水が何 gあるかを確認する習慣をつけると、別の単元で覚えた知識も使いやすくなります。

基本の考え方

磁石のまわりを方位磁針で調べる

磁石にはN極とS極があります。同じ種類の極どうしはしりぞけ合い、違う種類の極どうしは引き合います。鉄は磁石に引きつけられますが、金属なら何でも同じように引きつけられるわけではありません。銅やアルミニウムを、鉄と同じ扱いにしないことが最初の注意点です。

磁石の力がはたらく空間を磁界といいます。小さな方位磁針を置いたとき、そのN極が指す向きを、その場所の磁界の向きとします。棒磁石の外側では、磁界はN極から出てS極へ入る向きです。S極の近くにある方位磁針のN極は、棒磁石のS極へ向きます。「N極だからいつでも地図の北を向く」と考えると、磁石の近くでの向きを間違えます。

磁界を線で表したものを磁力線と呼びます。線は力の向きや広がりを表すためのもので、空間に本物の糸が張られているわけではありません。磁石から遠ざかるほど、一般に磁石の影響は弱くなります。方位磁針を使う問題では、磁石に対してどの位置に置かれているかを見てから、針のN極の向きを答えます。

電流の向きから電磁石の極を決める

電流が流れる導線のまわりにも磁界ができます。まっすぐな導線では、導線を取り囲む向きに磁界ができ、右手の親指を電流の向きに向けると、ほかの指が曲がる向きが磁界の向きです。この対応を、右手の法則として使います。電流は、電池の外の回路では＋極から出て−極へ向かうものとしてたどります。

導線を何回も巻いたものがコイルです。コイルに電流を流すと、棒磁石に似た磁界ができます。鉄しんを入れると磁石のはたらきが強まり、電磁石として利用できます。鉄しんは、電流を流す導線そのものではありません。表面を絶縁した導線を巻き、電流が巻いた導線に沿って進むことが必要です。

コイルでは、右手の親指以外の4本の指を、巻かれた導線に流れる電流の向きに合わせます。すると、伸ばした親指の向きがコイル内部の磁界の向きであり、親指の先の側がN極です。まっすぐな導線のときと、親指が表すものが違うので、まず対象が直線かコイルかを確かめます。

図1のようにコイルを片方の端から正面に見ると、電流が反時計回りに見える端はN極、時計回りに見える端はS極です。図の円はコイルを端から見た模式図で、矢印は電流の向きを示しています。コイルの外側の磁力線を描いた図ではない点も確かめてください。

図1の左では、右手の指を反時計回りに曲げると親指が手前を向きます。右では親指が奥を向くので、見ている端はS極になります。同じコイルを反対の端から見れば、回転の見え方も逆です。端の位置を固定せず、「時計回りだった」とだけ記憶しないようにしましょう。

電磁石は、同じ巻き数や鉄しんなどの条件なら、電流を大きくすると強くなります。同じ電流なら、巻き数を多くすると強くなります。ただし、巻き数を増やすと使う導線も長くなり、電流が変わる場合があります。同じ電池をつないだから同じ電流だと決めず、電流計の値や問題文の条件を見ます。また、引きつけたクリップの個数が巻き数に必ず比例する、という決まりはありません。

発熱と運動に変わる電気

電熱線に電流を流すと熱が生じます。同じ材質、同じ長さの電熱線を、同じ電圧がかかる条件で1本ずつつなぐと、太い線ほど電流が流れやすく、同じ時間の発熱量が大きくなります。同じ材質、同じ太さなら、短い線ほど同じ条件で発熱量が大きくなります。「同じ電圧」は、電流を流そうとするはたらきの強さを同じにした条件です。中学受験の問題では、同じ電池を使い、電池の消耗などを考えない条件として与えられることがあります。

この決まりを、「短い線はいつでもよく発熱する」と覚えてはいけません。違う長さの電熱線を直列につなぐと、各線を流れる電流は同じです。同じ材質、同じ太さで同じ電流を流す場合は、長い線のほうが同じ時間の発熱量が大きくなります。電流を同じにしたのか、電圧を同じにしたのかによって、比べる結果が変わるのです。

発熱量を水温で調べるときは、水の重さ、はじめの水温、通電時間、容器などをそろえます。水1 gの温度を1 ℃上げる熱量を1 calとする計算では、水が受け取った熱量は「水の重さ×上がった温度」で求められます。周囲や容器に逃げる熱を考えない問題なら、この値を電熱線から水に伝わった熱量として扱えます。

一方、磁石の間に置いたコイルに電流を流すと、コイルが力を受けます。これを回転に利用するのがモーターです。基本的な直流モーターでは、整流子などで半回転ごとにコイルの電流の向きを切りかえ、同じ向きに回り続けるようにします。電池のつなぎ方だけを逆にすると、磁石の極が同じなら回転する向きも逆になります。

発電機では、コイルと磁石を相対的に動かし、コイルを貫く磁界のようすを変えることで電気を取り出します。磁石をコイルのそばで止めているだけでは、電流は流れ続けません。モーターは電気のエネルギーから運動を、発電機は運動のエネルギーから電気を取り出します。どちらも実際には熱などに移る分があり、与えたエネルギーがすべて目的の形になるわけではありません。

例題で解き方を確かめる

例題1　電池の向きを変えた電磁石

あるコイルを左の端から見ると、電流は反時計回りに流れています。この左端の極を答えましょう。また、コイルの巻き方はそのままで電池の＋極と−極のつなぎ方だけを逆にすると、左端は何極になりますか。

1. 見る位置を「左の端から」に固定します。反対の端から見た回り方と混ぜないためです。
2. 右手の4本の指を反時計回りに曲げます。親指は自分の側を向くので、最初の左端はN極です。
3. 電池を逆につないだ後の電流を考えます。流れる向きが逆になり、左からは時計回りに見えるので、左端はS極になります。

ここで問われているのは極であって、電磁石の強さではありません。電流の大きさが変わらない条件なら、電池の向きを逆にしただけで強くなったり弱くなったりするとは考えません。答える内容を「向き」と「大きさ」に分けて確認します。

答え：最初の左端はN極、電池のつなぎ方を逆にした後はS極です。

例題2　巻き数の影響だけを調べる組み合わせ

同じ種類の導線を使い、次の条件で電磁石を調べました。鉄しんを入れた実験では、同じ鉄しんを使っています。巻き数の影響だけを調べられる組み合わせと、電流の大きさの影響だけを調べられる組み合わせを、それぞれ答えましょう。

1. 調べたい条件を1つ選びます。巻き数を調べるなら、巻き数の欄だけが違う2行を探すためです。
2. AとBのほかの欄を照合します。電流はともに0.2 A、鉄しんも同じなので、巻き数だけを変えた比較になります。
3. 電流を調べるときは、巻き数と鉄しんをそろえます。BとCなら、100回巻きで同じ鉄しんを使い、電流だけが違います。

BとDを比べると鉄しんの有無を調べられます。AとCは巻き数と電流の両方が違うため、強さに差が出ても、どちらの影響だけによる差かを切り分けられません。実際にクリップで強さを調べるなら、クリップの種類、近づけ方、持ち上げ方もそろえ、同じ条件で何回か確かめます。

答え：巻き数の影響はAとB、電流の大きさの影響はBとCで調べます。

例題3　水温の表から発熱量を求める

電熱線PとQを使い、それぞれ200 gの水を温めました。水のはじめの温度は20 ℃です。容器や周囲へ逃げる熱は考えず、調べる時間内では1分あたりの発熱量が一定だったとします。PとQの同じ時間での発熱量の比と、Pで300 gの水を20 ℃から32 ℃にする時間を求めましょう。

図2のように、表の温度そのものから20 ℃を引き、温度上昇を縦軸に取ると、発熱量の比較がしやすくなります。両方の直線が原点から始まるのは、通電前にはまだ水温が上がっていないためです。

1. 同じ時間の温度上昇を求めます。1分後ではPが26−20＝6 ℃、Qが23−20＝3 ℃で、はじめの温度を除いて比べるための値になります。
2. 水の重さが同じことを確認して、6：3＝2：1とします。同じ重さの水なら、上がった温度の比が受け取った熱量の比になるからです。
3. Pの1分あたりの熱量を求めます。200×6＝1200 calなので、以後の時間を求める基準になります。
4. 300 gの水に必要な熱量を求め、1分あたりの熱量で割ります。300×（32−20）＝3600 cal、3600÷1200＝3分となります。

図2でPの3分後の温度上昇が18 ℃なのは、水が200 gの場合です。最後の問いでは水が300 gに増えています。同じ3分間でも上がる温度は12 ℃ですから、グラフの値をそのまま答えに使わず、水の重さの変更を式へ反映します。

答え：同じ時間の発熱量の比はP：Q＝2：1、300 gの水を温める時間は3分です。

例題4　磁石を止めたときの発電を説明する

棒磁石をコイルに近づけると、つないだ検流計の針が振れました。次に、磁石をコイルの近くで動かさずに持つと、針は中央に戻りました。なぜ、磁石が近くにあるのに電流が流れ続けないのでしょうか。また、このしくみで取り出す電気のエネルギーは、何のエネルギーから移ったものですか。

1. 2つの場面で変えたことを探します。磁石の有無ではなく、動いているか止まっているかが違うためです。
2. コイルを貫く磁界のようすが変わるかを考えます。近づけている間は変わりますが、磁石とコイルをともに止めた状態では変わりません。
3. 磁石を動かすために加えたはたらきへ戻ります。電気は何もないところから生じたのではなく、動かすために与えたエネルギーから取り出したものだからです。

「磁力がなくなったから」と書くのは誤りです。止めても磁石のまわりの磁界はあります。必要なのは、コイルを貫く磁界のようすの変化です。記述では「ある」と「変わる」を区別すると、実験の結果と理由がつながります。

答え：磁石を止めるとコイルを貫く磁界のようすが変わらないためで、電気のエネルギーは磁石を動かす運動のエネルギーから取り出しています。

つまずきやすいところと直し方

「電池を逆にすると、電磁石は弱くなる」

誤った書き方は「電池を逆にすると、電流が逆らうので弱くなる」です。どこが違うかというと、電流の向きと大きさを同じものとして扱っています。電流が逆向きになっても、その大きさまで小さくなるとは限りません。

正しい書き方は「同じ大きさの電流が逆向きに流れると、電磁石のN極とS極が入れかわる」です。直すときは、元の図と変更後の図で、電流の矢印だけを先に描きます。それから同じ端を見て右手を当てると、強さの話を持ち込まずに極を判定できます。

さらに巻き方も逆にした場合は、2つの変更を順に考えます。電流の向きを逆にすると極が逆になり、巻き方も逆にするともう一度逆になるため、極の位置は元に戻ります。「逆にした」という言葉の個数だけで考えず、端から見た電流の回り方を最後に確かめます。

「短い電熱線は、どんな回路でも発熱が大きい」

誤った書き方は「長さが半分だから、つなぎ方によらず発熱量は2倍」です。どこが違うかというと、各電熱線にかかる電圧を同じにした場合と、各電熱線を流れる電流を同じにした場合を混ぜています。同じ材質、同じ太さの線Aを10 cm、線Bを20 cmとし、同じ時間の線全体の発熱量を比べてみましょう。

図3の左は、各線を同じ電圧の電源へ1本ずつつないだ場合です。Aの発熱量はBの2倍になります。右は、同じ大きさの電流を流した場合です。たとえばAとBを直列につないだときはこちらに当たり、Bの発熱量がAの2倍になります。線の材質や性質が温度で変わる影響を考えない条件での比較です。

図3の棒の高さは、各枠の中で小さいほうを1とした比です。左右の枠は基準が別なので、左のAと右のAの熱量を直接比べる図ではありません。正しい書き方は「各線に同じ電圧をかける条件ならA：B＝2：1、同じ電流を流す条件ならA：B＝1：2」です。

太さの問題にも同じ注意が必要です。同じ電圧なら、同じ材質・長さの太い線のほうが発熱量は大きくなります。しかし、同じ電流なら結果は逆になります。また、問題の「太さ」が直径を指すのか、切り口の面積を指すのかも確かめます。直径が2倍なら切り口の面積は4倍ですから、「太さが2倍」という言葉だけで計算を始めないようにします。

「温度が2倍なら、発熱量も2倍」

誤った書き方は「水温が20 ℃から40 ℃になったので、40÷20＝2倍の熱を受け取った」です。どこが違うかというと、温度そのものと、温度の上がり方を混同しています。水が受け取った熱量に対応するのは、40−20＝20 ℃という温度上昇です。

正しい書き方は「水の重さに、上がった温度をかけて熱量を求める」です。100 gの水を20 ℃上げる場合と、200 gの水を10 ℃上げる場合は、どちらも2000 calを受け取ります。同じ熱量でも、水が多ければ温度上昇は小さくなることを数値で確かめられます。

実験結果を比べるときは、水全体の温度がそろうようにかき混ぜて測ることも必要です。また、実際の水温上昇は熱が逃げる影響を受けるため、長時間どこまでも同じ直線で上がるとは限りません。与えられた表の範囲と、「熱が逃げない」などの条件を読んで計算します。

ここで手が止まるなら、止まった単元まで一緒に戻ります。学年別個別指導コース／お問い合わせ

練習問題

練習1

コイルを右端から見たとき、電流が時計回りに流れています。右端は何極ですか。また、その右端のすぐ外側に置いた方位磁針のN極は、コイルに近づく向きと離れる向きのどちらを向きますか。まわりの磁石などの影響は考えません。

練習2

電磁石Xは80回巻き、0.3 A、鉄しんありです。Yは160回巻き、0.3 A、同じ鉄しんありです。Zは160回巻き、0.6 A、同じ鉄しんありです。巻き数だけの影響を調べる組み合わせを答えましょう。また、Yが引きつけるクリップの個数はXの必ず2倍になるといえますか。

練習3

ある電熱線で150 gの水を温めると、2分間で水温が18 ℃から26 ℃になりました。容器や周囲へ逃げる熱はなく、1分あたりの発熱量は一定とします。この電熱線で300 gの水を18 ℃から30 ℃まで温めるには何分かかりますか。

練習4

同じ材質、同じ太さで、長さが10 cmの電熱線Aと20 cmの電熱線Bがあります。温度による線の性質の変化は考えません。それぞれに同じ電圧をかけた場合と、2本を直列につないだ場合について、同じ時間の線全体の発熱量の比A：Bを答えましょう。

答えと解説

練習1の答えは、S極、コイルに近づく向きです。右端から見て時計回りなので、その端はS極です。方位磁針のN極はS極に引かれ、磁石の外の磁界もS極へ入る向きになります。見る側を途中で左端に変えないことが要点です。

練習2の答えは、XとY、必ず2倍になるとはいえない、です。XとYは電流と鉄しんの条件が同じです。巻き数を増やすと電磁石は強くなりますが、引きつけるクリップの個数が巻き数に比例するとは限りません。「強くなる」と「個数が2倍になる」を分けて答えます。

練習3の答えは6分です。最初の温度上昇は26−18＝8 ℃なので、2分間の熱量は150×8＝1200 cal、1分間では600 calです。必要な熱量は300×（30−18）＝3600 calですから、3600÷600＝6分になります。水の重さが2倍、必要な温度上昇が1.5倍なので、時間が2×1.5＝3倍になることでも確かめられます。

練習4の答えは、同じ電圧の場合が2：1、直列の場合が1：2です。1本ずつ同じ電圧をかければ短いAの発熱が大きくなります。直列では同じ電流が流れるため、長いBの発熱が大きくなります。答えの比だけでなく、そろう条件を一緒に書ければ、図3の読み方を使えています。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

電磁石や発電で扱った「何を変えたか」は、ほかの実験の考察にもつながります。また、水温の変化を熱量に直す考え方は、違う温度の水を混ぜる問題や、熱が移る道筋を考える問題でも使います。電気、磁石、熱、運動を別々の暗記事項にせず、何から何へ変わるかを矢印で結ぶと関係が見えてきます。

家庭では、保護者が付き添い、通電せずにできる確認を2つ試せます。1つ目は、紙に円と反時計回りの矢印を描き、右手の指を合わせてN極側を説明する方法です。紙をひっくり返したときの見え方も話せば、5分ほどで「どちら側から見るか」を確認できます。

2つ目は、例題3の表を紙に写し、水の重さを200 gから400 gへ変えた場合の温度上昇を考える方法です。同じPで同じ時間だけ温めるなら、同じ熱量を2倍の水が受け取るので、1分後の温度上昇は6 ℃から3 ℃になります。計算と説明を1回ずつ行えば、こちらも5分ほどで確かめられます。

乾電池へ導線だけを直接つなぐことや、家庭のコンセントを使うことはしません。電熱線を使う実験は、保護者が付き添い、実験用器具の定められた接続と通電時間を守れる場で行い、熱い線には触れません。個別指導で確認するなら、極の判断で止まる場合は電流の向きへ、熱量の計算で止まる場合は「はじめの温度」と「上がった温度」の区別へ戻り、図と式がつながるところまで確かめます。

まとめ

電熱線の長さが同じ組み合わせでも、そろえる条件が変われば発熱量の大小は逆になります。その違いを自分の言葉で説明できれば、覚えた答えを当てはめる段階から、実験を読む段階へ進めています。お子さまの答えを見るときも、比の数字の前に「何を同じにしたか」が書かれているかを確かめると、理解の位置が見えます。

反時計回りの矢印には見る位置が必要で、水温の表にははじめの温度が必要です。電磁石と発熱の答えを支えるのは、目立つ数値ではなく、そろえた条件です。