中2物理【電流が磁界から受ける力】

以前に作ったページがあまりにわかりにくかったので修正しました。
図もきれいにしたのでわかりやすくなっているはず…。
長いですが読んでもらえれば…。

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1.電流が磁界から受ける力

電流が磁界の影響を受けるとローレンツ力という「力」が発生します。
※ローレンツ力という名前は覚える必要なし。

電流+磁界⇒力が発生

モーターなどはこの原理を利用しています。

ではこのローレンツ力が発生するしくみを見ていきます。
U字型磁石や導線、電源装置、電熱線を用いて次のような装置をつくりました。


木の棒に、導線をブランコのようにつるし、その部分にU字型磁石を置いています。
※電熱線…回路に大きな電流が流れないようにするため、そして回路に流れる電流を調節するためにつないでいる。

このU字型磁石の部分の磁界により
導線ブランコは↓のようにU字型磁石から出ていったり

↓のようにU字型磁石の奥に入ったりします。

ここでU字型磁石が↓の図のように置いてあったとしましょう。

導線ABには右向きの電流が流れていますね。

U字型磁石の部分を横から見てみましょう。

この部分には次の2種類の磁界①と②があります。

①電流がつくる磁界
右ねじの法則によって反時計回りの向きの磁界が発生しています。(↓の図)

②U字型磁石がつくる磁界
N極から出てS極に入る向きに磁界が発生しています。(↓の図)

これをまとめましょう。(↓の図)

磁界というのは足し合わさったり、打ち消し合あったりということが起こります。
(磁界の重ね合わせの原理と言います)

このように磁界の強い部分、弱い部分ができるのです。
そして電流は安定した方を選びます。
つまり磁界の影響があまりないほうに行きたい。
磁界の強いほうから弱いほうへ力がはたらきます。(↓の図)

そのためU字型磁石の奥に入り込むような右向きの力がはたらきます。
もとの図で見ると↓のように動くわけなのです。

このように
電流がつくる磁界磁石がつくる磁界の2種類が存在し、
互いに強め合ったり弱め合ったりすることで、磁界の強い場所や弱い場所が生まれます。
これが「力」を発生させる原因になります。

2.フレミング左手の法則

毎回、この原理を考えて「どちら向きの力が発生するか」って考えていたら大変です。
学者のフレミングさんはもっと簡単に考える方法はないかなと考えて、次のことに気づきました。

左手を↓の形にしたとき、
中指人差し指親指が指している向きと
電流の向き磁界の向き電流が受ける力の向き
が同じだって気づいたんです。(フレミング左手の法則)

中指人差し指親指の順に「」と覚えよう。
中指人差し指親指を90度ずつ開くこと。


※どうしてもこれが使いこなせない人は,手を下のような形にしてみよう。

左手を↑の図のような形にして
電流⇒親指以外の4本指の向き
磁界⇒手のひらにN極・手の甲にS極
力⇒親指の向き
と考える方法です。


では1つ例題を見てみましょう。

例題


アルミニウムパイプや円形の磁石を用いて↑の図のような装置をつくった。
このときアルミニウムパイプABにはたらく力はどちら向きか。


(答)
電源装置のつなぎ方から電流の向き、磁石による磁界の向きは↓のようになっています。

ここでアルミニウムパイプの部分に注目しましょう。

フレミング左手の法則を使ってみてください。
中指(4本指)…電流
人差し指…磁界(手のひら…N極)
に合わせると
親指は左に向きますね!?(↓の図)

つまりアルミニウムパイプは(電流は)左向きの力を受けることになります。(↓の図)

3.左手を使わずに考えよう

フレミング左手の法則を使うこと自体が間違えてしまいやすいものです。
できるだけ、左手を使わずに解く方法もマスターしましょう。

1つ力がわかっていれば
電流だけが逆向きも逆向き
磁界だけが逆向きも逆向き
電流磁界ともに逆向きはもとと同じ向き

ということが使えます。

図1

上の図1はさきほどの例題です。
このとき左向きに力がはたらきました。

①電流の向きを逆にした場合

図2

図1とは電流の向きのみが逆向きです。
ですのでフレミング左手の法則を使わなくても図1とは力が逆向きになると判断できます。
つまり右向きに力がはたらきます。

②電流の向きは①のままで磁界の向きを逆にする

図3

図2とは磁界の向きのみが逆向きです。
ですのでフレミング左手の法則を使わなくても図2とは力が逆向きになると判断できます。
つまり右向きに力がはたらきます。

または図1と比べると、電流磁界ともに逆向きです。
ですのでフレミング左手の法則を使わなくても図1と力が同じ向きになると判断できます。
そうやって右向きに力がはたらくと判断できます。

このようにすでに1つでも力のはたらき方がわかっていれば
電流だけが逆向きも逆向き
磁界だけが逆向きも逆向き
電流磁界ともに逆向きはもとと同じ向き

を利用すればはやく力の向きが求まります。

4.電流が磁界から受ける力を大きくする方法

・流れる電流を大きくする。
⇒つまり電源電圧を大きくする。または回路の抵抗を小さくする。
磁力の強い磁石を使う。
以上の方法を押さえておきましょう。

モーターの話はこちらを参考に。
→【モーターのしくみ】←

■このページのポイント

・電流+磁界→力が発生。
・磁石のつくる磁界・電流のつくる磁界の2種類によって力が生じる。
・フレミングの左手の法則は「中指・人差し指・親指」の順に「電・磁・力」。
・できれば手を使わず考えられるようになろう。

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