高校倫理1443814 views
いろは3023070 views
中学社会669888 views
小学理科721461 views
高校化学2931803 views
高校日本史190967 views
小学算数1203244 views
MathPython500646 views
数学講師2908414 views
雑学1474135 views
Help
Tools

English

直線電流とコイルがつくる磁界と右ねじの法則

導線に電流を流し、そばに方位磁針を置くと、針が振れます。振れた先は導線の向きでも、導線から離れる向きでもない。導線を回りこむ向きです。

磁界は導線を中心とする同心円をつくります。円のどちら回りかは、電流の向きで決まる。

canvas: 絵を作れませんでした

点とバツは、矢を後ろから見たときの形です。とがった先がこちらへ来れば点、はねが見えれば奥へ去っていく。

直線では親指が電流

円のどちら回りかを決めるのに、右手を使います。導線をボールペンのようににぎり、親指を電流の向きへ立てる。残り 4 本の指が回る向きが磁界です。

canvas: 絵を作れませんでした

距離に反比例する

導線から だけ離れた点の磁束密度は、電流に比例し距離に反比例します。

は真空の透磁率で 、およそ 。単位はテスラ(T)です。

分母の は、導線を中心とする半径 の円の周長にあたります。円周のどこでも磁界の大きさが同じだから、電流を周長で割った形になる。

点電荷の電場は で落ちますが、直線電流の磁界は です。落ち方が 1 段階ゆるい。

canvas: 絵を作れませんでした

線に沿って電流が並んでいるため、遠ざかっても視野に入る量が増えます。そのぶん減り方がゆるむ。

コイルでは指の役がいれかわる

導線を丸めて何回も巻くとコイルになります。1 周ぶんの磁界を足し合わせると、内側で同じ向きにそろう。

コイルでは右手の 4 本の指を電流の向きへ巻きつけ、親指の向きが内側の磁界です。親指の指す側が N 極になる。

canvas: 絵を作れませんでした

直線では磁界が導線を囲み、コイルでは電流が軸を囲みます。どちらの図でも、囲んでいるほうが 4 本の指です。

コイルの内側は場所によらない

十分に長いコイルなら、内側の磁束密度はどこでも同じ値になります。

は単位長さあたりの巻き数で、巻き数 を長さ で割った値。同じ長さなら、巻くほど強くなります。

外側はほとんど です。細長いコイルほど、磁界が内側に閉じこめられる。

canvas: 絵を作れませんでした

磁束密度と磁界の強さ

高校では磁界の強さ と磁束密度 の 2 つが出てきます。真空中では比例するだけの関係です。

の単位は 、 の単位はテスラ。向きはどちらも同じで、以下では でそろえます。

例:導線から 5 cm 離れた点

が流れる導線から 離れた点を調べます。

です。気象庁地磁気観測所によると、日本での地磁気の全磁力はおよそ 、つまり 。導線の磁界はその 6 分の 1 ほどで、方位磁針はわずかにしか振れません。

例:地磁気に並ぶ距離

同じ で、磁界が になる距離を求めます。 を について解く。

でした。導線にほとんど触れるほど近づかないと、地磁気には並びません。

例:コイルの内側

長さ に 回巻いたコイルへ を流します。

。直線 1 本の例と比べると 2 桁大きく、電流はむしろ小さい。巻いて重ねたぶんが効いています。

例:巻き数と長さのどちらが効くか

同じコイルを、長さはそのままで 回巻きに変えます。 が 2 倍になるため も 2 倍の 。

長さを 2 倍にして 回巻いた場合は、 が変わらないので も変わりません。効くのは総巻き数ではなく、単位長さあたりの巻き数のほうです。

例:平行な 2 本の導線

離れた 2 本の平行な導線に、どちらも を同じ向きに流します。中点の磁界はどうなるでしょうか。

中点はどちらの導線からも で、1 本ぶんの大きさは です。ただし 2 本を右手ではさむと、中点では向きが逆になる。打ち消し合って 。

電流を逆向きにすると、中点で 2 つがそろいます。1 本ぶんの 2 倍で 。

例:真上と真下で向きが変わる

机の上を南から北へ電流が流れているとします。真上の点で、磁界はどちらを向くでしょうか。

右手の親指を北へ向けてにぎります。導線の真上では 4 本の指が東を指し、真下では西を指す。

canvas: 絵を作れませんでした

導線をはさんだ 2 点では、磁界がいつも逆を向きます。同心円の上側と下側だから、当然そうなる。

右手の当て方直線の導線コイル
親指電流磁界(N 極の側)
4 本の指磁界電流
磁界の形導線を囲む同心円内側で軸に平行

1 行目と 2 行目が、そっくりいれかわっています。図を描くとき、まず電流の向きを決める。そのあと、電流が囲んでいるのか磁界が囲んでいるのかを見れば、あてる指が決まります。

コイルに右手をあてて磁界の向きを調べます。正しいあて方はどれですか。

  • 親指を電流の向きに合わせ、4 本の指が磁界を指す
  • 4 本の指を電流の向きに巻きつけ、親指が磁界を指す
  • 左手を使い、親指を電流の向きに合わせる
__RESULT__

コイルでは電流が軸を囲むため、巻きつける 4 本の指が電流にあたります。親指の向きが内側の磁界で、その先が N 極。左手を使うのは、電流が磁界から力を受ける場面の話です。

長さ に 回巻いたコイルと、長さ に 回巻いたコイルへ、同じ電流を流します。内側の磁束密度はどちらが大きいですか。

  • のほう
  • のほう
  • 同じ
__RESULT__

はどちらも です。 に総巻き数は入っていないため、値は変わりません。巻き数だけを見て 回のほうを選ぶと、長さも 2 倍になっている点が落ちます。

直線かコイルかで迷ったら、電流と磁界のどちらが相手を囲んでいるかを先に見ます。囲んでいるほうを 4 本の指にあてれば、残った親指が答えです。

直線の導線では親指が電流で、にぎった 4 本の指が磁界。コイルでは役がいれかわり、4 本の指が電流、親指が磁界の向きになります。迷うのはこのいれかわりですが、囲んでいるほうを 4 本の指にあてると決まる。直線電流のまわりは同心円で、磁束密度は $B=\mu_0 I/(2\pi r)$ と距離に反比例します。点電荷の電場が距離の 2 乗で落ちるのより 1 段階ゆるい。コイルの内側は $B=\mu_0 nI$ で場所によらず一様になり、外側はほとんど 0。導線から 5 cm の磁界を地磁気と比べる計算、巻き数と長さのどちらが効くか、真上と真下で向きが逆になる例まで並べました。