高校受験の理科 電流がつくる磁界—導線とコイルの向きから磁界を描き分ける｜武蔵野個別指導塾

右手の指と視点を対応させれば、導線の周囲の磁界とコイル内部の磁界を向きから描き分けられます。

よくあるのは、中学生がコイルを見る側を変えても、見える電流の矢印をそのまま描く場面です。同じ電流でも、反対の端から見れば時計回りと反時計回りは入れ替わります。紙の上の矢印だけを覚えると、コイルのどちら側から見た図なのかが抜け落ちます。見る場所を決めてから、電流と磁界の向きを順にたどりましょう。

問題の形を見分ける

まず、紙を貫く直線導線のまわりにできる磁界を描く問題があります。導線を中心に円を考え、電流が手前に出るか奥に入るかを確かめてから、円に沿う向きを決めます。方位磁針が置かれている場合は、その場所の円の接線方向を読み取ります。

次に、コイルの巻き方と電流から両端の極を決める問題があります。端から見た電流が時計回りか反時計回りかを読み、その端の極を求めます。反対側から眺め直した図を選ぶときは、見える回り方も反転させる必要があります。

さらに、電磁石の条件を変え、極や磁力の変化を説明する問題があります。電流の向きを変える操作と、電流の大きさや巻き数を変える操作は別です。磁界中の電流が受ける力や電磁誘導はここでは扱いません。

磁界の線と右手の使い方

磁力がはたらく空間を磁界といいます。磁界の向きは、その場所に小さな方位磁針を置いたとき、針のN極が指す向きで表します。磁力線は磁界の様子を表す線で、各点での向きは線に接する向きです。磁石の外側ではN極から出てS極に入る向きに描きます。線は途中で切れず、互いに交わりません。密に描かれる場所は磁界が強いことを表します。

図1のように、紙を貫く導線に手前向きの電流が流れる場合、導線を中心とする円に沿って磁界ができます。点は矢の先がこちらに向かう姿を表します。反対に、奥向きの電流は矢の羽根に見立てたバツで表します。点とバツは導線に沿う向きであり、紙面内を左右に流れるという意味ではありません。

右手の親指を電流の向きに向け、残りの指を導線のまわりに軽く曲げます。指の曲がる向きが磁界の向きです。図1では手前から見て反時計回りなので、導線の右側では上向き、上側では左向きになります。電流を奥向きに逆転すれば、円の向きも時計回りに逆転します。磁針は円の中心を向くのではなく、その位置で円に接する向きにそろいます。

コイルでも右手を使えます。右手の指を電流が巻く向きに沿わせると、伸ばした親指がコイル内部の磁界の向きを示し、その先の端がN極です。コイル内部の磁界はS極側からN極側に向かいます。外側ではN極側からS極側へ戻るので、内側と外側を混同しないようにします。

鉄心を入れたコイルに電流を流すと電磁石になります。電流の向きを逆にすればN極とS極は入れ替わります。同じ装置でほかの条件をそろえて比べると、電流を大きくする、または巻き数を増やすことで電磁石を強くできます。方位磁針は周囲の磁界の影響も受けるため、問題で示された磁界に従って判断する条件を確かめます。

磁針を図に描くときは、最初に針の中心を指定された位置に置きます。次にその点を通る磁力線を考え、線に沿う短い接線を引きます。N極は磁界の矢印と同じ向き、S極はその反対です。導線からの距離が同じでも、導線の反対側では接線の向きが逆になることに注意します。上側と下側の2本の針を比べれば、片方だけで向きを取り違えた場合にも気づけます。

磁力線そのものは、線が引かれた場所にしか磁界がないという意味ではありません。見やすく表すために代表的な線を描いています。問題の点が2本の線の間にあるときも、その近くで線が進む向きを考えます。コイルの内部と外部では線がつながって戻る様子を想像し、N極からS極という説明が外側の向きであることを確かめます。

基本例題：片方の端から読む

横向きに置いたコイルの左端をA、右端をBとします。A側からコイルを正面に見たところ、電流は時計回りに流れています。コイルがつくる磁界だけを考えます。AとBの極、およびコイル内部の磁界がAからBとBからAのどちらに向くかを答えてください。またB側から正面に見た電流の回り方を答えてください。

図2のように、最初にA側に視点を固定します。時計回りとは、見えている円の上端で電流が右へ進む向きです。図の矢印を目で追い、裏側から見たつもりにならないようにします。

1. 右手の指を、A側から見て時計回りとなる電流に沿わせます。
2. 伸ばした親指はA側からコイルの奥、つまりBの方を向きます。
3. 親指の先にあるBがN極、反対のAがS極です。
4. 内部の磁界も親指と同じくAからBへ向きます。
5. B側からは同じ巻きを反対側から見るので、電流は反時計回りに見えます。

答えは、AがS極、BがN極、内部はAからB、B側から見た電流は反時計回りです。確かめとしてB側から右手の指を反時計回りに曲げると、親指はB側の手前へ向きます。BがN極という最初の答えに戻るので、見る側の変更と極の判断が一致します。

ここで反対側から見たとき、電流そのものを逆にしたわけではありません。同じ回路を別の位置から見ています。電流を実際に逆にする操作なら、A側から見た回り方は反時計回りに変わり、AがN極になります。視点の変更と電流の反転を別々に記録することが分かれ目です。

条件を2回変えるとき

別のコイルの左端をP、右端をQとします。P側から見ると電流は反時計回りです。はじめのPとQの極、内部の磁界の向きを答えてください。次に電源の接続を逆にして電流を反転させ、Q側から見ます。そのときの電流の回り方とQの極を答えてください。コイルの巻き方は変えません。

はじめにP側で右手の指を反時計回りに曲げると、親指はP側の手前を向きます。したがってPがN極、QがS極です。内部はS極側からN極側なので、QからPへ向きます。

次に接続を逆にすると、同じP側から見た電流は時計回りです。この状態で反対のQ側へ移ると、見える回り方はもう一度逆になり、反時計回りです。Q側から右手を使うと親指が手前のQを向くので、QがN極です。答えを元のP側に戻して見ると時計回りで、親指は奥のQを向きます。両側から同じQがN極と判断できました。

この問題では「電流を反転」と「見る側を変更」の2つを一度に暗算しないことが役立ちます。まず視点をPに固定して電流を反転し、その後でQへ移します。片方の操作を忘れた場合はQ側の回り方を時計回りと誤ります。各段階で何を変えたかを書き残すと、誤りを戻って探せます。

端から見た図が示されず、斜めから見た巻き線の図だけがある場合もあります。そのときは、手前に見える線の電流を追い、上側から下側へ回って奥を通り、再び元の位置へ戻る向きを想像します。途中で線が交差して見える図では、どちらが手前かの表示を先に読みます。表示がなく巻き方を一意に決められないなら、見かけの交点だけから極を決めることはできません。

図の見た目が変わっても、コイルの端に付けた記号は動かしません。向きを説明するときに「右がN」とだけ書くと、反対側へ移ったとき右と左が入れ替わってしまいます。端の記号と極を組にして書けば、視点を変えた後も同じ端を確認できます。内部の磁界も端の記号を使って表すと、矢印の始点と終点が明確です。

電磁石の強さを比べる問題では、結果の向きと強さを別の欄に記録します。電流の向きだけを逆にした場合、極は交換されますが、その操作だけから強くなったとはいえません。一方、巻き方と電流の向きを保って巻き数を増やす場合は、極の位置を変えずに強さの変化を考えます。複数の条件を同時に変えた図では、何が結果に効いたのかを分けて判断できないこともあります。

逆向きに描いた答えを直す

図3は基本例題のA側から見た電流を、B側から見直す場合の比較です。A側で時計回りなのに、B側でも時計回りと書く答えは誤りです。原因は、紙を回して眺めることと、コイルの反対側に移ることを同じ操作としてしまう点にあります。

修正するときは、まず電流が流れる実物の向きは変えていないと確認します。A側で円の上を右へ進む部分は、B側からは円の上を左へ進むように見えます。図3の右の矢印のように反時計回りへ直し、右手の親指が同じBを指すか確かめます。極まで入れ替わったなら、視点を変えたほかに電流まで逆転させていないか点検します。

直線導線の問題にも似た誤りがあります。手前向きの電流を表す点を、紙面の上向き矢印と読み違えると、右手を置く向きからずれます。点を見たらまず「紙から自分へ」、バツを見たら「自分から紙の奥へ」と言葉にします。その後に円を描き、指の曲がる向きを矢印で記します。

磁針のN極を導線へ向ける誤答もあります。磁界の円は導線のまわりを取り巻くため、導線の右側では針は上下方向に向きます。円の接線を短く描き、その上にN極の向きを重ねれば、中心向きの矢印との違いを確認できます。

練習：向きを言葉で説明する

次の問題はそれぞれ独立しています。磁針には、指定した電流がつくる磁界のみがはたらくものとします。回り方は指定された側から見て答えてください。

1. 紙面に垂直な直線導線に、紙の奥へ向かう電流が流れています。手前から見た磁界の回り方と、導線の左側に置いた磁針のN極の向きを答えてください。
2. 水平なコイルの東端をR、西端をTとします。R側から見た電流は時計回りです。RとTの極、内部の磁界の向き、T側から見た電流の回り方を答えてください。
3. コイルの一端Uから見て電流が反時計回りです。U側から見たまま電流を逆にしました。変更後のUの極と、コイルの反対側から見た電流の回り方を答えてください。
4. 同じ鉄心と電源を使う電磁石で、巻き数を増やし、電流の向きは変えません。ほかの条件をそろえて比較すると、極の位置と強さはどうなると考えられますか。

答えとたどり方

1. 磁界は時計回りで、N極は上向きです。親指を紙面の奥に向けて右手を握ると、残りの指は時計回りに曲がります。導線の左側でこの円をたどる向きは下から上なので、磁針のN極も上を向きます。上向きの接線を円周のほかの位置までたどっても、時計回りの向きと一致します。
2. RがS極、TがN極で、内部はRからTです。T側からは反時計回りに見えます。R側から右手の指を時計回りに曲げると親指は奥のTを指します。T側で反時計回りに指を曲げ直しても親指はT側を向き、同じ極に戻ります。
3. UはS極、反対側からは反時計回りです。U側から見た回り方は電流の反転で時計回りに変わり、右手の親指はUから奥を向きます。反対側へ移ると見える回り方が逆になるので反時計回りです。そこから親指を手前に向けると、Uの反対側がN極となり、UがS極という結果と合います。
4. 極の位置は変わらず、強くなると考えられます。巻き数を増やしても電流の巻く向きは変えていないので、右手の親指の向きは同じです。強さの比較は他の条件をそろえた場合の判断です。電流の向きまで変えた場合は極も逆になるため、同じ条件変更とはいえません。

手元に残す要点

磁界の向きは磁針のN極が指す向きです。 直線電流では親指を電流に、曲げた指を磁界に合わせます。 コイルでは曲げた指を電流に、親指を内部の磁界とN極に合わせます。 反対側から見ると回り方は逆になり、極は変わりません。

どこで向きを取り違えたか

解答が逆になったときは、すぐに右手の形を覚え直すのではなく、まず視点を指さしてもらいます。次に電流の矢印を1周たどり、親指が向く端を示せるかを見ます。視点は言えても矢印を逆に読んでいれば図の読み取り、電流は追えても親指を逆に向ければ右手の対応が課題です。

個別指導では、同じコイルを両端から描いた図を用い、電流を変えずに見る側だけを移す説明を確かめます。次に視点を固定して電流だけを反転し、どの極が入れ替わるかを言葉にします。お子さまがどの操作で答えを変えたのかを話せれば、向きを取り違えた箇所をたどれます。磁界の向きは、視点と電流を分けて記すと追跡できます。