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電流が磁場から受ける力とフレミングの左手の法則

磁場のなかに電流を流した導線を置くと、導線が力を受けます。

は電流と磁場のなす角で、直交していれば と最大になります[1]。平行なら 。

向きは 3 本の指で決めます。左手の中指を電流、人差し指を磁場に合わせると、親指が力の向きになる。3 本を互いに直角に開いて当てます。

当てる手は国で変わる

フランス語圏の教科書では右手を使い、親指を電流、人差し指を磁場、中指を力に当てます[2]。

指の割りふりが違うだけで、出てくる向きは同じです。両方を混ぜると必ず間違えるので、どちらか 1 つに決めて通すことになります。

ミクロなローレンツ力の集まり

導線が受ける力は、なかを動く電子 1 個ずつが受ける力の合計です。

導線の断面積を 、単位体積あたりの電子数を 、平均の速さを とすると、電流は と書けます[1]。

長さ の部分にある電子の数は 個。1 個あたり を受けるので、合計は次のようになります。

が にまとまりました。マクロな が、ミクロな の積み上げだと分かります[3]。

図では電子を電流の向きに流していますが、実際の電子は逆向きに動きます。それでも力の向きは変わりません。

電子は電流と 逆向きに動いている ので、力の向きが二重にひっくり返ります。

電荷が負なので 1 回、動く向きが逆なのでもう 1 回。結果として、電流の向きで考えたときと同じ向きに力がはたらく。

モーターになる

磁場のなかのコイルに電流を流すと、向かい合う辺が逆向きの力を受けます。コイルを回そうとする偶力になる。

半回転したところで整流子が電流の向きを切りかえるので、回し続けられます。 回巻き、面積 のコイルなら、トルクは です。

平行な電流のあいだ

2 本の平行な導線では、片方がつくる磁場をもう片方が感じます。長さあたりの力は次の形。

同じ向きなら引き合い、逆向きなら反発します。日常の感覚とは逆で、まぎらわしいところ。

同じ向きの電流

2 本は引き合う。あいだの磁場が打ち消し合い、外側が強くなる

逆向きの電流

2 本は反発する。あいだの磁場が強め合う

例 1:まっすぐな導線

の磁場に、 が流れる長さ の導線を垂直に置きます。

。10 g ほどの物体にはたらく重力ぶんです。

例 2:導線を浮かせる

質量 、長さ の導線を、 の磁場のなかで支えなしに浮かせます[1]。

重力とつり合う条件は です。

でよい。電流を水平に流し、力が上を向く向きにそろえます。

例 3:斜めに置く

例 1 の導線を、磁場と をなす向きに置き直します。

半分になりました。平行に近づけるほど小さくなり、平行で です。

例 4:平行な 2 本

離れた 2 本の導線に、それぞれ を流します。

あたり 。小さな力ですが、電流を増やすと 2 乗で効きます。 なら あたり になる。

例 5:モーターのトルク

の磁場に、面積 、 回巻きのコイルを置き、 を流します。コイル面が磁場と平行のとき、トルクは最大です。

巻き数を増やせばそのまま比例して大きくなります。小型のモーターが細い線を何百回も巻いてあるのは、このため。

例 6:電流から電子の速さを出す

断面積 の銅線に を流します。銅の自由電子の数密度を とします。

計算すると です。1 秒に ほどしか進みません。電子はゆっくり動き、それでも数が多いので になります。

磁場と同じ向きに電流を流した導線には、どれだけの力がはたらきますか。

  • で最大になる
  • 0 になる
  • になる
__RESULT__

で なので 、力は 0 です。最大になるのは直交したとき。電流の向きを少しずつ傾けていくと、 にしたがって連続に変わります。

押さえどころ

大きさは 。直交で最大、平行で 0。
向きは左手の中指が電流、人差し指が磁場、親指が力。
右手を使う流儀もある。混ぜずにどちらかへそろえる。
は 1 個ずつの を足したもの。別の法則ではない。
平行電流は同じ向きで引き合い、逆向きで反発する。

電流が磁場から受ける力は、モーター、スピーカー、電磁ブレーキの根にあります。回す、押す、止めるという動きが、この 1 本の式から出てくる。

参考文献

11.5: Magnetic Force on a Current-Carrying Conductor/University_Physics_II_-_Thermodynamics_Electricity_and_Magnetism_(OpenStax)/11:_Magnetic_Forces_and_Fields/11.05:_Magnetic_Force_on_a_Current-Carrying_Conductor). Physics LibreTexts, OpenStax University Physics Volume 2.
Règle des trois doigts(磁場中の導線にはたらく力の向き). Université en Ligne, Unisciel(フランス語).
Lorentzkraft. Lernort MINT(ドイツ語).
$F=BIL\sin\theta$ は電流と磁場が直交したときに最大、平行なら 0 になります。向きは左手の中指を電流、人差し指を磁場に合わせると親指が指す。フランス語圏では右手を使い、親指が電流、人差し指が磁場、中指が力という割りふりになります。指の当て方が違うだけで結果は同じですが、混ぜると必ず間違える。$BIL$ は導線のなかの電子 1 個ずつが受ける $qvB$ を足したもので、$I=nqvA$ を代入すると出てきます。導線を磁場で浮かせる電流、モーターのトルク、平行電流のあいだにはたらく力まで計算しました。