高校受験の理科 磁界中の電流と電磁誘導—力と誘導電流の向きを条件から判断する｜武蔵野個別指導塾

磁石の接近・停止・移動方向の反転を比べ、誘導電流が生じる条件と、磁界中の電流が受ける力の向きを整理します。

よくあるのは、中学生がコイルの近くで磁石を止めても、誘導電流が流れ続けると考える場面です。磁石が近くにあることと、コイルを通る磁界が変化していることは別の条件です。動かしている間、止めた後、逆に動かす間を分けて観察すると、針の動きを説明しやすくなります。

問題のどこに目を置くか

磁界中の電流と電磁誘導には、大きく分けて3つの問いがあります。1つ目は、磁界の中に置いた導線に電流を流したとき、導線がどちらに力を受けるかです。最初の向きを基準に、電流または磁界を逆にした場合を比べます。導線が動けるように支えられていることも条件になります。

2つ目は、磁石とコイルを近づけたり遠ざけたりしたとき、検流計の針がどちらに振れるかです。磁石の極、動きの向き、コイルと計器のつなぎ方をそろえて、基準となる観察と比較します。3つ目は、モーターや発電機で何が運動を生み、何が電流を生むかという仕組みの説明です。名前を覚えるだけでなく、入力と結果を分けると取り違えを減らせます。

図や文章で「逆にする」と書かれていたら、何を逆にし、何を保つのかを先に書き出します。条件が2つ同時に変わると、1つを変えた場合の答えをそのまま使えません。向きを答える問題でも、動きがない場合を含めて考えます。

磁界と動きの関係を整理する

磁石のまわりには磁界があります。磁界の向きは、その場所に置いた方位磁針のN極が向く方向で表します。磁石の外側では、磁界はN極から出てS極に向かいます。磁界の中の導線に電流を流すと、導線は力を受けることがあります。磁界と電流の向きが垂直な配置では、力の向きはその両方に垂直です。

図1のように、磁界と電流の向きを固定して力の向きを基準にします。電流の向きだけを逆にすると力は逆向きになり、磁界の向きだけを逆にした場合も逆向きです。両方を逆にすれば、向きの反転が2回重なり、力は基準と同じ向きです。力の大きさは電流や磁界の強さなどによって変わりますが、向きの比較では、まず指定された条件に注目します。

図1の「基準」は、ある配置で力が上向きと観察された場合です。電流は紙面に垂直で、点は紙面の手前向き、十字は紙面の奥向きを示します。右向きの磁界中で手前向きの電流を流すと上向きの力が働きます。磁界を逆にするとは、同じ場所で磁界の向きを反転させることです。磁石をひっくり返す図では、置き直した後のN極とS極を読み直します。

一方、電磁誘導は、コイルを通る磁界が変化するとき、コイルに電圧が生じる現象です。回路が閉じていれば誘導電流が流れます。磁石を近づける、遠ざける、コイル側を動かすなど、磁石とコイルの位置関係を変えると、コイルを通る磁界も変化します。電流の向きは、変化の向きが逆になると逆になります。

閉じた回路に電流を生じさせるには、磁石が存在するだけでは足りません。磁石を止め、コイルも止めた後は、その配置で磁界が変化しないため、誘導電流は流れません。動きを止める瞬間と、止まった状態を続ける時間は区別します。図の針の振れは、問題で示された回路と計器の向きに対応する観察結果です。端子を逆につなげば、同じ電流に対する針の振れも逆になります。

基本例題：磁石を動かして止める

コイルと検流計を導線でつなぎ、閉じた回路を作ります。磁石のN極をコイルに向け、まっすぐ近づけると、検流計の針が右に振れました。磁石とコイル以外は動かさず、コイルの接続も変えません。次の3つの間に、針は右、左、振れないのどれになりますか。動き始めや止まる瞬間を除いて答えてください。

ア：N極を同じ側から近づけ続ける。
イ：N極をコイルの近くで止めておく。
ウ：その位置からN極を遠ざけ続ける。

図2のように、磁石の極とコイルの位置をそろえて3つの場面を比べます。アは問題文の観察と同じく、N極が近づく動きです。したがって針は右に振れます。ここでは、右に振れることを問題文の観察から採用しています。計器の接続が別の問題でも右になると覚える必要はありません。

イでは磁石もコイルも止まり、コイルを通る磁界が変化しません。誘導電圧が生じないので、針は振れません。磁石がコイルの近くにあること自体は変わりませんが、近くにあるだけでは、止まった後に誘導電流を保つ理由にはなりません。

ウでは、磁石の極と接続を変えずに、動きの向きだけをアと逆にします。コイルを通る磁界の変化の向きが逆になるので、誘導電流の向きも逆です。アで針が右に振れたため、ウでは左に振れます。答えは順に右、振れない、左です。

答えを条件に戻して確かめます。近づける場面では観察された右向きと一致し、停止中は変化がなく、遠ざける場面では変化の向きが逆です。磁石を止めてから遠ざけるまでの一連の場面を混ぜず、それぞれの時間に何が変化しているかを言葉にすると、答えの理由が残ります。

条件が2つ変わるときの分かれ目

次の観察を基準とします。閉じた回路のコイルに、ある棒磁石のN極を向けて近づけると、針が左に振れました。磁石は同じ側からコイルの軸に沿って動かし、コイルと計器の接続は変えません。磁石を反転してS極を向け、同じ側から遠ざけるとき、針は右、左、振れないのどれでしょうか。動き続けている間を考えます。

まずN極を近づける基準から、動きだけを遠ざける向きに変えると、磁界の変化の向きが逆になるので針は右です。次に、その遠ざける動きを保ったまま、向ける極をN極からS極に変えます。コイルを通る磁界の向きが逆になり、その変化の向きも逆になります。針の振れはもう一度反転し、左です。

一度に両方を変えると、どちらの変更が何を反転させたのか見落としやすくなります。頭の中でも紙の上でも、基準から1条件ずつ変えると追跡できます。答えを元に戻すと、極の反転と動きの反転による2回の逆転があるため、基準と同じ左向きです。これが2条件変更の分かれ目です。

ただし、磁石を反転しても止めたままなら、その後は針が振れ続けません。極を変える操作中の動きと、操作後の静止を別に扱います。また、コイルの巻き方や計器の端子まで変えた問題では、ここで固定した条件が変わります。観察に使った回路図に戻り、同じつなぎ方で比較できる範囲を確かめます。

コイルを動かす場合も、磁石とコイルの間隔が変われば同じように比較できます。磁石を固定してコイルを磁石に近づける動きは、位置関係の変化に注目して考えます。ただし針の左右は、その問題の接続と基準の観察を使って決めます。磁石もコイルも同じように動けば、位置関係は変わりません。

モーターと発電を取り違えない

モーターでは、磁界の中のコイルに電流を流し、コイルが磁界から受ける力を利用して回転させます。コイルの両側では電流の向きが反対なので、それぞれが受ける力の向きも反対です。両側に働く力が回転を起こします。直流モーターでは、整流子によってコイルに流れる電流の向きが回転に応じて切り替わり、回転を続ける向きの力を受けられます。

発電では、コイルと磁石を相対的に動かしてコイルを通る磁界を変化させ、電磁誘導によって電圧を生じさせます。閉じた回路では誘導電流が流れます。回転によってコイルを通る磁界の変化の向きが周期的に逆になれば、誘導電流の向きも周期的に変わります。入力と結果を言うなら、モーターは電流による力で回転し、発電機は運動によって電流を得る仕組みです。

回っているという見た目は共通でも、何を加えて何を取り出しているかが異なります。発電機に電池をつないだかのように説明したり、モーターの回転の理由を誘導電流だけで説明したりすると、問題の装置から離れてしまいます。与えられた回路に電源があるか、外から回転させているかを確認します。

間違えた答えを直す

「N極をコイルの近くに止めても、磁石があるから針は振れたまま」と答えた場合を考えます。原因は、磁界があることと、磁界が変化することを同じ条件として扱った点です。図3のように、近づく間と止まった後を別の欄に分けると、止まった後には位置の変化がないと見直せます。

図3では、接近中はコイルを通る磁界が変わり、停止後は変わりません。修正した答えは「停止後は針が振れない」です。逆向きの振れを選ぶ誤りもありますが、それは同じ極を遠ざけて変化の向きが逆になった場面に対応します。停止は遠ざける動きではありません。

力の問題では「電流と磁界を両方逆にすると力も逆」とする誤りがあります。片方の反転だけで判断を止めたことが原因です。電流を逆にして力を反転し、続いて磁界を逆にしてもう一度反転すると、元の向きに戻ります。図や表に途中の向きを記してから、元の条件と比べ直します。

自分で条件を分ける練習

次の4問は独立した自作問題です。向きの答えは問題に指定した選択肢から選び、理由も短く書いてください。回路は閉じており、特に断らない限りコイルと計器の接続は変わりません。

1. S極をコイルに向けて近づけると針が右に振れました。同じ側から同じS極を遠ざける間、針は右、左、振れないのどれですか。
2. N極を向けて近づけると針が左に振れました。磁石をコイルから離れた位置で止め、コイルも止めている間、針は右、左、振れないのどれですか。
3. ある磁界中の導線に電流を流したところ、力が下向きでした。電流だけを逆にした場合と、電流と磁界の両方を逆にした場合の力を、それぞれ上向き、下向き、力が働かないの中から選んでください。電流と磁界の強さや導線の配置は保ちます。
4. ある回転装置のコイルは磁石の間にあり、外から回転させると接続した閉回路に電流が流れました。この電流が生じる現象の名前と、回転中にコイルを通る磁界がどうなるかを答えてください。

答えと考え方

1. 左です。S極と接続はそのまま、動きだけが近づく向きから遠ざかる向きに反転します。磁界の変化の向きが逆になり、針の振れも逆です。答えを元の近づく条件に戻せば右となり、観察と合います。

2. 振れません。磁石とコイルが止まっている間はコイルを通る磁界が変化しないためです。離れた位置にあることよりも、位置が変化しないことが判断の根拠です。これを元の接近中に戻せば、磁界が変化して左に振れる観察と矛盾しません。

3. 順に上向き、下向きです。電流だけの反転で力は基準の下向きから上向きへ変わります。さらに磁界も反転すると力が再び逆向きになり、下向きに戻ります。両条件を元に戻す場合も2回反転するので、観察の下向きに合います。

4. 電磁誘導です。回転によってコイルを通る磁界が変化し、誘導電圧が生じます。閉回路なので誘導電流が流れます。外から回すという条件へ戻すと、運動によって磁界が変化する説明と対応します。止めた後まで電流が続くと読み足さないことも大切です。

覚えておくこと

磁界中の導線は電流を流すと力を受けることがあります。
電流か磁界の向きを一方だけ逆にすると力は逆向きです。
コイルを通る磁界の変化で誘導電圧が生じ、閉回路なら電流が流れます。
変化が逆なら誘導電流も逆、磁界が変化しなければ誘導電流は流れません。

どこで迷っているかを見つける

お子さまが針の向きを言い間違えたときは、すぐ正答を覚え直す前に、磁石の動きと極を図で指してもらいます。「止めた」は動きの反転か、変化がなくなることかを尋ねると、停止と遠ざかる動きの混同が見えます。針の向きだけが合っていても、その理由が磁石の存在だけなら、接近中と停止後を並べて説明し直します。

個別指導では、基準の観察を示してから、極と動きのどちらか一方を変え、次に両方を変える順に途中の判断を確かめられます。力の問題なら電流と磁界の矢印に印をつけ、2回の反転を順にたどります。答えが合わない場合は、接続の向きや見ている時間を問題文に戻して確認します。磁石の有無ではなく、コイルを通る磁界の変化が誘導電流の判断を支えます。