【小5理科】電磁石のはたらきを図解で総まとめ—コイル・極・強さを変える条件｜武蔵野個別指導塾

鉄を引きつけるコイルのつくりから、電流と巻き数を比べる実験までを図で整理します。極の判定、実験条件の選択、平均を求める例題を通して、結果を根拠に説明する力を育てましょう。

よくあるのは、体育館の隅のタイム表を見ながら、表をとめている磁石について話し、「電磁石は電池を増やせば強くなる」と答えたものの、なぜそう言えるのかで止まるという場面です。鉄を引きつける様子は思い浮かんでも、電流の向きと大きさ、コイルの巻き数が一緒になると、どの条件が何を変えるのかがあいまいになります。

この単元では、電気を流している間に磁石としてはたらくしくみを学びます。覚える言葉を増やすだけでなく、「何を変えたか」「何をそろえたか」「何を調べたか」を分けることが学習の中心です。極を調べる実験と強さを調べる実験では、見るところが違います。

お子さまが説明に迷ったら、すぐに正しい言葉を教える前に、実験で動かした物やつなぎかえた場所を指してもらってください。回路の図と結果の表を結びつけられると、見たことのない問題でも、比べる組み合わせを自分で選べるようになります。

この単元で身につけること

• 電磁石のつくりを説明します。導線を何回も同じ向きに巻いた物がコイルで、その中に鉄しんを入れて電流を流すと、鉄しんが磁石のはたらきをします。
• 電流を流すときと止めるときを比べます。電磁石は電流で磁石のはたらきを切りかえられるため、物を持ち上げたり放したりするしくみに利用できます。
• 電流の向きと極の関係を説明します。同じコイルを固定したまま電流の向きだけを反対にすると、電磁石のN極とS極が入れかわります。
• 強さを変える条件を見分けます。巻き数をそろえて電流を大きくする場合と、電流の大きさをそろえて巻き数を増やす場合を分けて考えます。
• 実験の結果から理由を書きます。引きつけたクリップの数を表にまとめ、条件をそろえた組み合わせを比べて、どこまで言えるかを判断します。

小3で学んだ磁石の極と、小4で学んだ回路や電流の向きが、ここでつながります。「同じ極どうしはしりぞけ合う」という決まりも、「回路が切れると電流は流れない」という決まりも、そのまま使います。新しい単元だからといって、前に学んだ決まりが別のものに変わるわけではありません。

基本の考え方

コイルと鉄しんを回路につなぐ

コイルは、電気を通す導線を何回も巻いてつくります。導線の表面には電気を通しにくいおおいがあり、隣り合う部分が触れても、電流が巻いた道筋に沿って流れるようになっています。接続する端の処理は、実験用具の説明に従って行います。コイルの中に入れる鉄の棒を鉄しんといいます。導線と鉄しんは別の役割を持つ部品です。

かん電池、スイッチ、コイルをひと続きにつなぎ、スイッチを閉じると電流が流れます。このとき鉄しんが磁石のはたらきをして、鉄のクリップなどを引きつけます。図1のように、電流の通り道は導線でできています。鉄しんの両端をかん電池につなぐのではありません。鉄しんはコイルの中に置きます。

図1は、スイッチを閉じた回路を簡単に表した模式図です。巻いた線は見やすい本数で描いてあり、実験用コイルの巻き数を表しているわけではありません。かん電池の＋極から導線をたどり、コイルを通って−極へ戻れることを確かめてください。鉄しんが電流の通り道に入りこんでいないことも読み取れます。

スイッチを開いて電流を止めると、電磁石の磁石としてのはたらきはほぼなくなります。ただし、鉄しんの材質などによっては、磁石の性質が少し残って、軽いクリップがついたままになることがあります。「止めたら必ず全部が落ちる」と結果を決めつけず、通電中との違いを観察します。棒磁石は電流を流さなくても磁石のはたらきをするので、この点が電磁石との大きな違いです。

また、電磁石が引きつけるのは何でもよいわけではありません。鉄は引きつけられますが、アルミニウムや銅は、鉄と同じようには引きつけられません。「金属だからつく」とせず、何でできているかに注目します。強さを調べるときに同じ種類の鉄のクリップを使うのは、材質や重さの違いが結果に混ざらないようにするためです。

電流の向きを変えると極が変わる

電磁石にもN極とS極があります。同じ極どうしはしりぞけ合い、違う極どうしは引き合うので、極のわかっている棒磁石や方位磁針を使うと、電磁石の極を調べられます。方位磁針は、N極と表示された針の先に注目します。色だけを手がかりにせず、用具の表示を確かめることが必要です。

電磁石の左端に方位磁針のN極側を近づけて、そのN極側が引きつけられたとします。この場合、電磁石の左端はS極です。同じN極だから近づくのではなく、違う極だから引き合っています。反対側の端はN極になります。方位磁針を使うときは、周囲の磁石や鉄の物の影響にも気をつけて観察します。

コイルの位置や巻き方を変えずに、かん電池の＋極と−極のつなぎ方を入れかえると、コイルを流れる電流の向きが反対になります。その結果、電磁石のN極とS極が入れかわります。電磁石そのものを左右に回して置き直す操作とは区別してください。位置を固定しておくからこそ、「同じ左端の極が変わった」と判断できます。

ここでは、コイルの細かな巻き方から極を計算する必要はありません。問題に最初の極や方位磁針の様子が示されていれば、それを出発点にします。かん電池の絵だけを見て、巻き方も観察結果もないのに「左が必ずN極」と決めることはできません。

強さは電流の大きさと巻き数に注目する

同じコイルと鉄しんを使う場合、流れる電流を大きくすると、電磁石は強くなります。実験では、同じ種類のかん電池を直列につなぐなどして電流の大きさを変え、けん流計で確かめます。かん電池の個数だけでは、電流の大きさを決められません。つなぎ方や電池の状態も関係するため、「電流が大きくなった」という条件を確かめてから、強さと結びつけます。

電流の大きさを同じにして比べると、コイルの巻き数が多い方が電磁石は強くなります。このとき、鉄しんの材質や太さ、長さなどもそろえます。巻き数の違うコイルを使っただけで、ほかの条件までそろったとは限りません。導線の太さや全体の長さもそろえた実験用コイルを用い、けん流計で電流の大きさが同じであることを確認する方法があります。

強さの目安には、持ち上げられる同じ種類のクリップの数などを使います。数が多いほど強いと考えますが、近づけ方や持ち上げ方が違うと、結果が変わることがあります。同じ方法で何回か調べて平均を求めると、1回だけの偶然に左右されにくくなります。ただし、繰り返すだけでは条件の違いを取り除けません。まず比べ方をそろえ、そのうえで繰り返すという順番です。

例題で解き方を確かめる

例題1　方位磁針から極を読み取る

同じ位置に固定した電磁石に電流を流すと、左端に方位磁針のN極側が引きつけられました。最初の左端と右端は、それぞれ何極ですか。また、コイルの位置と巻き方を変えず、電流の向きだけを反対にすると、左端は何極になりますか。

1. 方位磁針のどちらの極が近づいたかを確かめます。N極側という情報が、電磁石の極を考える手がかりになるためです。
2. 引き合うのは違う極どうしだと当てはめます。N極側が引きつけられた左端はS極で、反対側の右端はN極だと判断します。
3. 電流の向きを反対にした後を考えます。位置を変えていない同じコイルでは両端の極が入れかわるので、左端はN極になります。

この問題の「反対」は、電流の向きについての言葉です。強さが反対になるという意味ではありません。極の問題では、最初の極を先に書き、次に入れかわった後を書くと、途中で左右を取り違えにくくなります。

答え：最初は左端がS極、右端がN極で、電流の向きを反対にした後の左端はN極です。

例題2　巻き数と電流を分けて比べる

次の表は、同じ種類の鉄しんとクリップを使った実験の記録です。表の「小」「大」は、けん流計で確かめた電流の大きさを示し、同じ表示どうしでは大きさがそろっています。持ち上げ方などの条件もそろえました。巻き数の影響を調べるにはどの組を、電流の大きさの影響を調べるにはどの組を比べればよいでしょうか。

1. 調べたい条件を1つ選びます。巻き数について調べるときは、巻き数だけが違う組を探す必要があるためです。
2. AとBの電流の欄を確認します。どちらも「小」でそろい、巻き数だけが50回と100回で違うので、この組を比べます。
3. 電流の大きさを調べる場合も同じ考え方を使います。AとCは巻き数が50回でそろい、電流の大きさだけが違うので、電流の影響を比べられます。

BとCでは、巻き数と電流の大きさの両方が違います。この組でクリップの数に違いが出ても、どちらの条件が原因かを分けて説明できません。結果の数が目立つ組を選ぶのではなく、条件の欄から組み合わせを選ぶのがポイントです。

答え：巻き数の影響はAとB、電流の大きさの影響はAとCを比べます。

例題3　平均を求めて結果を説明する

例題2のA、B、Cについて、持ち上げたクリップの数の平均を求めます。さらに、AとBの結果から言えることを、実験の条件を含めて説明してください。図2には、平均を棒グラフで表しています。まず自分で計算し、図の棒の高さと一致するかを確かめましょう。

1. 各組で3回分の数を足します。Aは5＋6＋7＝18、Bは11＋12＋13＝36、Cは9＋10＋11＝30です。途中の合計を出すと、足し忘れを確かめられます。
2. それぞれの合計を調べた回数の3で割ります。Aは18÷3＝6、Bは36÷3＝12、Cは30÷3＝10となり、どの組も同じ回数で平均を求められます。
3. AとBでそろえた条件を書きます。電流の大きさが同じという条件を示してから、巻き数を増やしたBの方が多く持ち上げた、と説明します。

図2の縦軸はクリップの平均個数です。目盛りの間隔は同じなので、Aの棒は6個、Bの棒は12個、Cの棒は10個の位置まで伸びています。Cの方がAより強いという読み取りもできますが、それは電流の大きさを比べた結果です。AとBの比較と混ぜずに言葉にしましょう。

この記録では、巻き数が50回から100回へ増えると、平均が6個から12個へ増えています。しかし、ここから「巻き数を2倍にすると、どんな実験でもクリップの数が必ず2倍になる」という決まりはつくれません。持ち上がる数は用具や測り方にも関係します。学ぶ決まりは、電流などをそろえると巻き数の多い方が強くなる、という関係です。

答え：平均はAが6個、Bが12個、Cが10個で、電流の大きさが同じなら巻き数の多いBの方が強いと考えられます。

例題4　モーターが回り続ける理由を考える

簡単なモーターでは、磁石と電流が流れるコイルの間にはたらく力を利用します。「違う極どうしが引き合えば、コイルはいつまでも同じ向きに回る」と説明したとき、何が足りないでしょうか。極の性質と、コイルが回った後の位置に注目して答えてください。

1. 引き合った後の位置を考えます。引き合うだけなら、向かい合う位置で止まりやすくなるので、回り始める説明だけでは足りないためです。
2. 回転に合わせて何を変える必要があるかを考えます。同じ向きに回り続けるには、コイルに流す電流を切りかえるなどのしくみが必要になります。
3. 磁石の力と切りかえをつないで説明します。引き合う力やしりぞけ合う力を利用し、回転に合わせた電流の切りかえによって回り続けることを述べます。

モーターのつくりによって、電流の向きを切りかえるものや、電流が流れるときと流れないときを切りかえる簡単なものがあります。ここでは部品名を細かく覚えるより、電流が流れるコイルには磁石の性質があり、そのはたらきを回転に利用できることを押さえます。電気のはたらきと物の動きがつながるところです。

答え：磁石の力に加え、回転に合わせてコイルに流す電流を切りかえるなど、回り続けるためのしくみの説明が必要です。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　電流の向きを変えると強くなる

誤った書き方：「電流の向きを反対にすると、電磁石は強くなる」。どこが違うかというと、向きと大きさを取り違えています。向きを反対にしたときに確かめるのは、まずN極とS極の入れかわりです。向きを変えただけで、電流が大きくなったとは言えません。

正しい書き方：「同じコイルで電流の向きを反対にすると、N極とS極が入れかわる」です。強さについて答える問題なら、巻き数や電流の大きさを確かめます。「向き→極」「大きさ→強さ」とノートの左右に分けて書くと、何を調べる問題かを整理しやすくなります。

図3の上段は、観察で左端がS極、右端がN極とわかった状態です。下段は同じ電磁石を動かさずに電流の向きだけを反対にした状態で、左端がN極、右端がS極です。この図は巻き方から最初の極を決める図ではなく、観察した極がどう変わるかを表しています。左右の端を指で追って読むと、置き方の変化と混同せずにすみます。

誤り2　電池を増やせば比べ方は何でもよい

誤った書き方：「Aは電池が少なく、Bは電池が多いから、Bの電磁石が必ず強い」。どこが違うかというと、電池のつなぎ方や電流を確かめず、さらにコイルなどの条件を無視しています。巻き数の違う電磁石を使っていれば、強さが違った原因を電池だけに決められません。

正しい書き方：「同じコイルと鉄しんを使い、流れる電流が大きくなったとき、電磁石は強くなる」です。問題文に直列つなぎとあっても、調べる対象は電流の大きさです。けん流計の結果が示されていれば、その欄も読んでください。電池を何個も追加する方法を家庭で試すのではなく、指定された実験用具とつなぎ方の範囲で確かめます。

誤り3　持ち上がった数をそのまま決まりにする

誤った書き方：「巻き数を2倍にすれば、持ち上がるクリップも必ず2倍になる」。どこが違うかというと、ある実験で得た具体的な数の関係を、いつでも成り立つ決まりに広げています。クリップの触れ方や、鉄しんの状態が違えば、同じ数になるとは限りません。

正しい書き方：「電流の大きさなどをそろえて比べると、巻き数の多い方が強くなる」です。平均の値は、結果を比べるための根拠として残します。ただし、平均を求めたから何でも断定できるわけではありません。「この結果では何個だった」と「条件をそろえた比較から何が言えるか」を分けて書くと、説明の範囲がはっきりします。

練習問題

練習1

電磁石の右端に、棒磁石のN極を近づけるとしりぞけ合いました。最初の右端は何極ですか。その後、電磁石の位置を変えずに電流の向きを反対にしたとき、右端と左端はそれぞれ何極ですか。極を判断した理由も書きましょう。

練習2

Pは巻き数50回で電流が小、Qは巻き数100回で電流が大、Rは巻き数100回で電流が小です。鉄しんなどの条件は同じで、同じ表示の電流の大きさはそろっています。巻き数の影響を調べる組と、電流の大きさの影響を調べる組を、それぞれ選びましょう。PとQだけでは説明しにくい理由も考えてください。

練習3

巻き数と鉄しんをそろえたDとEで、持ち上げたクリップの数を調べました。Dは電流が小さく、結果は7個、8個、9個です。Eは電流が大きく、結果は11個、12個、13個です。持ち上げ方などもそろえています。それぞれの平均と平均の差を求め、結果から言えることを書きましょう。

練習4

電磁石で鉄を持ち上げる道具について、「電流を流すときだけ鉄を引きつける性質を利用する」と説明しました。鉄を放すときはどう操作しますか。また、電流を止めても軽いクリップが少し残ったとき、すぐに「回路が切れていない」と決めてよいですか。鉄しんの性質を考えて答えましょう。

答えと解説

練習1の答え：最初の右端はN極です。向きを反対にした後は右端がS極、左端がN極です。同じ極どうしがしりぞけ合うことから最初の極を決め、電流の向きを反対にすると極が入れかわる決まりを使います。

練習2の答え：巻き数はPとR、電流の大きさはQとRを比べます。PとQは巻き数と電流の大きさが両方違うため、結果の違いをどちらの条件によるものかに分けられません。選んだ組で、調べたい条件以外の欄が同じかを確認します。

練習3の答え：Dは（7＋8＋9）÷3＝8個、Eは（11＋12＋13）÷3＝12個で、平均の差は12−8＝4個です。同じ巻き数などの条件で電流を大きくしたEの方が、電磁石が強いと考えられます。差は結果を表す数であり、電流を変えると必ず4個増えるという決まりではありません。

練習4の答え：電流を止めて磁石のはたらきをほぼなくし、鉄を放します。鉄しんに磁石の性質が少し残る場合があるので、クリップが残ったことだけで回路が切れていないとは決められません。実験ではスイッチや接続の状態も確かめます。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

電磁石を学ぶと、モーターのように電気を物の動きに変える道具のしくみに近づけます。小6で電気の利用を学ぶときにも、電気がどこを流れ、そのはたらきが何として現れるかを考える土台になります。また、変える条件を1つにしぼる方法は、植物の成長など別の実験にも使えます。

家庭での確かめ方の1つ目は、保護者と一緒に5分で行う「条件選び」です。例題2の表の結果の欄を紙で隠し、「巻き数を調べるならどの組か」と選びます。選んだ後に、そろえた条件を声に出し、紙を外して結果を確かめます。答えを覚えていたら、なぜBとCでは調べられないかを説明してもらうと、条件の見方を確かめられます。

2つ目は、保護者と一緒に5分で行う「極の入れかえ」です。紙の左右にNとSを書き、別の紙に電流の向きを表す矢印を描きます。矢印を反対にしたら、左右のNとSを入れかえて説明します。電磁石の位置は変えない約束にすると、電流の向きを変えることと、本体を回して置くことの違いを確認できます。電池を使わずに取り組める方法です。

実物を使う場合は、学校で扱うような実験用具を保護者と一緒に使い、その説明に従ってください。コイルやかん電池は電流を流し続けると熱くなることがあるため、観察するときだけスイッチを入れ、終わったら切ります。熱くなったらすぐに通電をやめ、保護者が状態を確認します。かん電池の両端をコイルなどを通さず導線だけで直接つないだり、家庭のコンセントを使ったりしてはいけません。

個別指導で確かめるときも、電磁石の説明だけを繰り返すとは限りません。極が混ざる場合は棒磁石の引き合い方に、電流の有無が混ざる場合は切れ目のない回路をたどるところに戻り、どこから考えがつながらなくなったかを確かめます。

まとめ

実験の表には、クリップの数だけでなく、その数を説明するための条件が書かれています。答えを書く前に比較する2つの行を選び、同じ欄と違う欄を指せれば、結果を自分の言葉で説明する準備が整います。お子さまの答えを読むときも、「強くなった」の前に、何をそろえ、何を変えたのかが書かれているかを見てみてください。

電磁石の強さを説明する根拠は、持ち上がった数と、その数を比べてよい条件の両方にあります。