コイルの近くで磁石を動かしたとき、なぜ電流が流れるのでしょうか。
その向きを判断する鍵は、磁石そのものの極ではなく、コイルを通り抜ける磁束がどのように変化したかという点にあります。
誘導起電力の向きは、フレミング左手の法則で考えたくなる場面もありますが、発電のしくみではレンツの法則と右ねじの法則を組み合わせる方法が基本です。
本記事では、磁束変化と誘導電流の関係を順番に整理し、図がなくても向きを判断できる考え方をわかりやすく紹介します。
誘導起電力の向きを決める基本原理
それではまず、コイルに生じる誘導起電力の向きを決める基本原理について解説していきます。
磁束の変化を打ち消す向き
コイルに誘導起電力が生じるのは、コイルを貫く磁束が変化したときです。
ここで大切なのは、コイルが磁束の変化をそのまま受け入れるのではなく、変化を妨げる向きに磁界をつくるという性質です。
たとえば、コイルに向かって右向きの磁束が増えている場合、コイルは左向きの磁界を発生させようとします。
反対に、右向きの磁束が減っているなら、減少を補うために右向きの磁界をつくろうとします。
このように、誘導電流は磁束そのものに反対するのではなく、磁束の増加や減少という変化に抵抗する向きに流れます。
レンツの法則では、誘導電流は磁束の変化を妨げる向きに流れます。
増えている磁束には反対向きの磁界をつくり、減っている磁束には同じ向きの磁界をつくると考えると整理しやすくなります。
誘導起電力と誘導電流の違い
誘導起電力とは、電流を流そうとする電圧の働きです。
一方の誘導電流は、その誘導起電力によって回路に実際に流れる電流を指します。
コイルの両端が開いている場合、誘導起電力は発生しても、回路が閉じていないため大きな電流は流れません。
問題文で電流の向きを問われたときは閉回路を前提にしていることが多く、起電力の向きと電流の向きは回路上で対応させて考えます。
ただし、電流計の端子表示や観察する側の位置によって時計回りと反時計回りの表現は変わるため、どちら側からコイルを見るかを先に固定することが重要です。
エネルギー保存との関係
レンツの法則は、単なる暗記事項ではなく、エネルギー保存則と深く結び付いています。
磁石をコイルへ近づけたとき、もし誘導電流が磁石をさらに引き寄せる向きに流れれば、外部から力を加えなくても運動が加速してしまいます。
実際にはコイル側に同じ極が生じ、近づく磁石を押し返す向きの力が働きます。
磁石を動かすために必要な外力の仕事が電気エネルギーへ変わるため、発電機や自転車のライトでも無から電気が生まれるわけではありません。
誘導起電力の向きが変化を妨げる理由を覚える際は、磁石の運動を止めようとする反作用を思い浮かべると理解が深まるでしょう。
磁束変化とファラデーの電磁誘導
続いては、磁束変化とファラデーの電磁誘導を確認していきます。
磁束の意味と求め方
磁束は、ある面をどれほど磁界が通り抜けているかを表す量です。
磁界の強さだけでは決まらず、コイルの面積や磁界との角度にも左右されます。
磁束は磁束密度と面積と角度から求められます。
Φ ＝ B S cosθ
Φは磁束、Bは磁束密度、Sはコイルの面積、θは磁界と面の垂線がなす角度です。
磁石を動かさなくても、コイルを回転させたり、面積を変えたりすれば磁束は変化します。
つまり、電磁誘導で重要なのは磁石とコイルの距離だけではなく、コイルを通過する磁力線の量が時間とともに変わるかどうかです。
起電力の大きさを左右する条件
誘導起電力の大きさは、磁束の変化が速いほど大きくなります。
磁石をゆっくり近づける場合よりも、素早く近づける場合のほうが電流計の針は大きく振れます。
コイルの巻数を増やすことも有効です。
ファラデーの法則は次のように表されます。
V ＝ －N ΔΦ ÷ Δt
Nはコイルの巻数、ΔΦは磁束の変化量、Δtは変化にかかった時間です。
式のマイナス符号は、誘導起電力の向きが磁束変化を妨げることを示しています。
面積の大きいコイル、巻数の多いコイル、磁界の強い磁石を使うほど、条件が同じなら大きな誘導起電力を得やすくなります。
磁束が変わらない場合
強い磁石をコイルの中心に置いていても、磁石とコイルの位置関係が変わらなければ、基本的に誘導起電力は生じません。
磁界が存在していることと、電磁誘導が起こることは別の条件です。
磁石を止めた瞬間に電流計の針が中央へ戻る実験結果は、この違いを端的に表しています。
また、磁石をコイルへ近づける途中には電流が流れ、遠ざける途中には逆向きの電流が流れます。
この切り替わりは、磁束の増減が反転するためです。
磁束が大きいかではなく、磁束が変化しているかに注目すると、多くの問題を正確に解けます。
レンツの法則による向きの判断手順
続いては、レンツの法則による向きの判断手順を確認していきます。
磁石の極と移動方向の整理
最初に、コイルに近づく磁石の極を確認します。
N極がコイルへ近づく場合、コイルを通る磁束はN極から離れる向きに増加します。
コイルはその増加を妨げるため、磁石側の面をN極にして、近づくN極を反発させようとします。
反対に、N極がコイルから遠ざかると、N極から出る向きの磁束が減少します。
コイルは減少を妨げるため、磁石側の面をS極にして、N極を引き付ける向きの磁界をつくります。
磁石の極だけを見て判断するのではなく、近づくのか遠ざかるのかまで一組で捉えることが欠かせません。
| 磁石の動き | コイルを通る磁束 | 磁石側のコイルの極 | 働く力 |
|---|---|---|---|
| N極が近づく | N極から出る向きに増加 | N極 | 反発 |
| N極が遠ざかる | N極から出る向きに減少 | S極 | 引力 |
| S極が近づく | S極へ入る向きに増加 | S極 | 反発 |
| S極が遠ざかる | S極へ入る向きに減少 | N極 | 引力 |
コイルにできる磁極の判定
次の段階では、磁束の変化を打ち消すためにコイルのどちら側をN極またはS極にするかを決めます。
近づく磁石には反発する極をつくり、遠ざかる磁石には引き付ける極をつくると考える方法が直感的です。
この考え方は、磁石とコイルの間に働く力から判断する方法ともいえます。
ただし、磁石の移動がない場合には、コイルに新たな極をつくる必要がありません。
問題でコイルの右側に磁石があるのか左側に磁石があるのかを確認し、見ている面を取り違えないようにしましょう。
コイルの極を先に決めてから電流の回転方向へ進むと、複雑な図でも迷いにくくなります。
右ねじの法則への変換
コイルの磁極が決まったら、右ねじの法則を使って電流の向きを求めます。
右手の親指をコイル内部の磁界の向きに向けたとき、残りの指が巻き込む方向が電流の向きです。
コイルの正面から見て、手前側がN極になる場合は電流が反時計回りになります。
正面側がS極になる場合は時計回りです。
正面からコイルを見るときの覚え方です。
反時計回りの電流なら正面はN極です。
時計回りの電流なら正面はS極です。
この対応は右手の指の曲がる向きと親指の向きを実際に確かめると定着します。
紙面上だけで混乱する場合は、親指を立てた右手を使うと確実でしょう。
右ねじの法則とコイルの磁界
続いては、右ねじの法則とコイルの磁界を確認していきます。
直線導線とコイルの違い
直線導線に電流が流れると、その周囲には同心円状の磁界ができます。
これに対して、導線を円形に巻いたコイルでは、中心付近に棒磁石に似た磁界が生まれます。
コイルの巻き数が多いほど、各導線がつくる磁界が重なり、中心の磁界は強くなります。
電磁石が鉄心と多数の巻線を利用するのも、この性質を活用するためです。
誘導電流の問題では、コイルが一時的に電磁石として振る舞うと考えると、磁石との反発や引力を自然に説明できます。
時計回りと反時計回りの対応
コイルを正面から見た場合、電流が反時計回りなら、磁力線は正面から手前へ出てきます。
磁力線が外へ出る面はN極なので、正面はN極です。
一方で、時計回りなら磁力線は正面から奥へ入り、正面はS極になります。
この対応は、観察面を裏側へ変えると見かけ上の回転方向が逆になります。
したがって、答案では単に時計回りと書くよりも、磁石側から見て時計回りのように基準を添えると誤解を防げます。
時計回りと反時計回りは、見る側が変われば逆になります。
電流の向きを答える前に、問題図で指定された観察方向を必ず確認しましょう。
右手を使った実践方法
右ねじの法則は、ねじを回すイメージでも、右手を使うイメージでも確認できます。
右手の四指を電流の向きに沿って曲げると、親指がコイル中心の磁界の向きを示します。
逆に磁界の向きがわかっている場合は、親指をその向きへ向け、指の曲がる方向を追えば電流の向きを求められます。
試験問題では、コイルが横向きに描かれていることもあります。
このときも見た目の上下に惑わされず、コイル内部の磁界がどちらへ向くべきかを考え、その後で右手へ変換する順番が有効です。
練習では実物のばねや輪ゴムをコイルに見立てると、立体的な向きをつかみやすくなります。
電磁誘導の代表例と注意点
続いては、電磁誘導の代表例と注意点を確認していきます。
磁石を近づける実験
コイルと検流計をつなぎ、棒磁石のN極をコイルへ近づける実験は、電磁誘導の基本例です。
磁石を動かしている間だけ検流計が振れ、停止すると針は戻ります。
次に磁石を遠ざけると、針は先ほどとは反対側へ振れます。
この現象は、近づけるときと遠ざけるときで磁束変化の向きが逆になるためです。
磁石を速く動かすと針の振れが大きくなることから、変化の速さと誘導起電力の大きさとの関係も確認できます。
同じ実験でも、磁石をS極側から近づければ電流の向きは反転します。
発電機における交流の発生
発電機では、コイルを磁界の中で回転させることで磁束を連続的に変化させます。
コイルが半回転すると、コイル面を通る磁束の向きや大きさの変化が反対になり、誘導起電力の向きも反転します。
そのため、一般的な交流発電機では電流の向きが周期的に入れ替わります。
自転車の発電機を回すときに感じる重さは、電流を取り出すほど回転を妨げる力が強まるためです。
ここにも、レンツの法則とエネルギー保存則の関係が表れています。
発電の電気エネルギーは、回転させる力の仕事から得られるという見方が大切です。
自己誘導と相互誘導
電磁誘導は、磁石とコイルの組み合わせだけに起こる現象ではありません。
同じコイルに流れる電流が変化すると、そのコイル自身の磁界も変化し、変化を妨げる向きの誘導起電力が生じます。
これを自己誘導と呼びます。
別のコイルに流れる電流の変化によって、近くのコイルに誘導起電力が生じる現象は相互誘導です。
変圧器は相互誘導を利用し、一次コイルの交流による磁束変化を二次コイルへ伝えています。
いずれの場合も、基本となる考え方は同じであり、磁束変化を妨げる向きに働く点が共通します。
誘導起電力の向きは、磁石があるかどうかではなく、磁束の変化に対する反応として決まります。
発電機、変圧器、自己誘導でも、レンツの法則を使う根本は変わりません。
コイルの誘導起電力の向きのまとめ
コイルに生じる誘導起電力の向きは、レンツの法則によって判断できます。
まずコイルを通る磁束が増えるのか減るのかを確認し、その変化を妨げる向きにコイルがつくる磁界を考えます。
次に、磁石側のコイル面がN極かS極かを決め、右ねじの法則で電流の時計回りと反時計回りへ変換しましょう。
近づく磁石には反発し、遠ざかる磁石には引き付けるという感覚を持つと、コイルの極を判断しやすくなります。
ただし、時計回りと反時計回りは観察する側によって変わります。
問題図のどちら側から見ているかを確かめ、磁束変化、コイルの磁極、電流の向きという順番で整理することが正確な解答への近道です。
