この 章 で 学ぶ こと
第 5 章 で は、 電流 を 数値 (アンペア・ボルト・オーム) で とらえる 学習 を しました。 この 章 で は、 電流 が 流れる と そ の まわり に 何 が 起こる か を 学び ます。
電流 は ただ 流れる だけ で なく、 磁場 を 作り 出し、 磁石 と 引き 合っ たり 反発 し たり し ます。 そ の はたらき を 利用 し て、 私 たち の 身 の 回り の 多く の 機械 (モーター・スピーカー・発電機・IH 調理器) が 動い て い ます。
- 電流 が 流れる 導線 の まわり に 磁場 が でき る こと を 知る
- 右ねじの法則 で 磁場 の 向き を 決め られる ように なる
- コイル に 流れる 電流 と 磁場 の 関係 を 理解 する
- 電磁誘導 と 誘導電流 の しくみ を 知る
- モーター と 発電機 が なぜ 回る か、 なぜ 電気 を 起こす か を 説明 できる
- 直流 と 交流 の ちがい を 知る
大切 な こと: 第 5 章 の 「電流 = 数値」 から、 第 6 章 で は 「電流 = 磁場 を 作る もの」 へ 視点 が 広がり ます。 電気 と 磁石 が ふか く つながっ て いる こと が この 章 の 中心 メッセージ です。
1. 電流 が 作る 磁場
磁石 の おさら い
磁石 に は N 極 と S 極 が あり、 同じ 極 ど うし は 反発 し、 ち がう 極 ど うし は 引き 合い ます。 磁石 の まわり に は 磁場 (磁界 と も いう) が あり、 その 中 に 鉄粉 を まく と、 N 極 から 出 て S 極 へ もどる 磁力線 が 見え ます。
| 用語 | 意味 |
|---|
| [[磁場 | じば]] ([[磁界 |
| [[磁力線 | じりょくせん]] |
| [[磁針 | じしん]] |
電流 を 流す と 磁場 が でき る
導線 に 電流 を 流し、 そ の そば に 磁針 を 置く と、 磁針 が ふれ ます。 これ は 電流 が 磁場 を 作っ て い る しょうこ です。 1820 年 に エルステッド が 発見 し まし た。
電流 を 強く する ほ ど、 また 導線 に 近づく ほ ど、 磁場 は 強く なり ます。
| 条件 | 磁場 の 強 さ |
|---|---|
| 電流 が 大きい | 強く なる |
| 導線 に 近い | 強く なる |
| 電流 が 0 | 磁場 は 消える |
2. 右ねじの法則
直線 の 導線 に 電流 を 流す と、 磁場 は 導線 を 中心 に 同心円 に でき ます。 そ の 向き は 「右ねじの法則」 で 決まり ます。
右ねじの法則: 右ねじ を 電流 の 向き に 進める よう に 回す と、 ねじ の 回る 向き が 磁場 の 向き に 一致 する。
右手 を 使っ た 覚え 方
右手 の 親指 を 電流 の 向き に 向ける と、 のこ り の 4 本 の 指 が まがる 向き が 磁場 の 向き に なり ます。
| 電流 の 向き | 磁場 の 向き (導線 を 上 から 見 て) |
|---|---|
| 紙面 から 手前 へ (・印) | 反時計回り |
| 紙面 の 奥 へ (×印) | 時計回り |
確かめる 実験
- 厚紙 に 穴 を あけ、 直線 の 導線 を 通す
- 厚紙 の 上 に 鉄粉 を まく
- 電流 を 流し、 紙 を 軽く たたく
- 鉄粉 が 同心円状 に なら ぶ こと を かくにん する
- 磁針 を 置 き、 N 極 の 向き を 記録 し て 磁場 の 向き を 調べる
3. コイル の 磁場
導線 を ぐるぐる ま い た もの を コイル と いい ます。 コイル に 電流 を 流す と、 1 本 1 本 の 導線 が 作る 磁場 が 重 な り、 全体 と し て 棒磁石 の よう な 磁場 が でき ます。
コイル の 極 の 決め 方 (右手 の 法則)
右手 の 4 本 の 指 を 電流 の 流れる 向き (コイル を 巻く 向き) に そえる と、 親指 が さす 向き が N 極 に なり ます。
| コイル の 形 | 磁場 の とくちょう |
|---|---|
| 1 本 の 直線導線 | 同心円状 の 弱い 磁場 |
| 1 巻き の 輪 | 中心 を 通る 磁場 |
| 多数巻い た コイル | 棒磁石 と 同じ 形 の 強い 磁場 |
コイル の 磁場 を 強める 方法
| 工夫 | 効果 |
|---|
| 巻き 数 を ふやす | [[磁場 |
| 電流 を 大きく する | [[磁場 |
| 鉄しん を 入れる | [[磁場 |
電磁石 の とくちょう
鉄しん を コイル に 入れた もの を 電磁石 と いい ます。
- 電流 を 流し て いる 間 だけ 磁石 に なる
- 電流 を 切る と 磁石 の 性質 を 失う
- 電流 の 向き を 変える と N 極・S 極 が 入れ かわる
- 電流 の 大き さ で 強 さ を 調節 できる
これ ら の 性質 を 使っ て、 リレー (継電器)、 スピーカー、 IH 調理器、 リニアモーターカー など 多く の 機械 が 作ら れ て い ます。
4. 電流 が 磁場 から 受ける 力
電流 を 流し た 導線 を 磁場 の 中 に 置く と、 導線 は 力 を 受け ます。 これ が モーター の 原理 です。
力 の 向き — フレミング の 左手 の 法則
左手 の 親指・人さし指・中指 を 直角 に 開き ます。
| 指 | 向き |
|---|
| 中指 | 電 流 の 向き |
| 人さし 指 | [[磁 |
| 親指 | 力 の 向き (動く 向き) |
「電・磁・力」 と 順 に 「中・人・親」 の 指 に 当てる と 覚え られ ます。
力 を 大きく する 方法
| 条件 | 力 |
|---|
| 電流 を 大きく する | 大きく なる |
| [[磁場 | じば]] を 強く する (磁石 を 強い もの に) |
| 導線 を [[磁場 | じば]] に 直角 に する |
| 導線 を [[磁場 | じば]] に 平行 に する |
モーター の しくみ
モーター は 「電流 と 磁場 が 力 を 生む」 性質 を 利用 し、 コイル を 回し 続ける 仕組み です。
- 磁石 の 間 に コイル を 置く
- コイル に 電流 を 流す と、 上下 の 導線 が 反対向き の 力 を 受ける
- コイル が 半回転 する
- 整流子 と ブラシ が 電流 の 向き を 切りかえる
- 同じ 向き に 力 が はたらき 続け、 コイル は 回り 続ける
重要: モーター は 電気 エネルギー を 運動 エネルギー に 変える 装置 です。 自動車 (EV)、 せん風機、 そうじき、 エレベーター など 私 たち の 生活 で 数え 切れ ない ほ ど 使わ れ て い ます。
5. 電磁誘導 と 誘導電流
モーター の 反対 を 考え ます。 「コイル を 回せ ば 電流 が 流れる の で は ない か?」 — これ を 1831 年 に ファラデー が 確かめ まし た。
実験 でわかる こと
検流計 (小さな 電流 を 計れる 計器) を つない だ コイル に 磁石 を 出し 入れ し ます。
| 操作 | 検流計 の はり |
|---|
| 磁石 を 入れる | ふれる |
| 磁石 を 止める | 0 |
| 磁石 を 出す | 反対 に ふれる |
| 磁石 を 速く 動かす | 大きく ふれる |
| 巻き 数 を ふやす | 大きく ふれる |
| 強い 磁石 に する | 大きく ふれる |
電磁誘導 と は
コイル を つらぬく 磁場 が 変化 する と、 コイル に 電流 が 流れる 現象 を 電磁誘導 と いい ます。 そ の とき に 流れる 電流 を 誘導電流 と いい ます。
重要: 誘導電流 が 流れる の は 磁場 が 変化 し て いる 間 だけ です。 磁石 を 止め て お く と 電流 は 流れ ませ ん。
誘導電流 の 向き — レンツ の 法則
誘導電流 は、 「コイル を つらぬく 磁場 の 変化 を さまた げる 向き」 に 流れ ます。 これ を レンツ の 法則 と いい ます。 中学 で は 「磁石 を 入れる と き と 出す と き で 反対向き に なる」 と とらえ れ ば 十分 です。
6. 発電機 と 直流・交流
電磁誘導 を 連続 し て 起こ す しくみ が 発電機 です。 火力・水力・原子力・風力・太陽光 など、 ほぼ すべて の 発電所 で この 原理 が 使わ れ て い ます (太陽光 を のぞ く)。
発電機 の しくみ
- 磁石 の 間 で コイル を 回す
- コイル を つらぬく 磁場 が たえず 変化 する
- 電磁誘導 に より 誘導電流 が 流れ 続ける
モーター と 発電機 は 同じ 構造: モーター は 「電気 → 運動」、 発電機 は 「運動 → 電気」。 電池 を つな げ ば モーター、 手 で 回せ ば 発電機 に なり ます。
直流 と 交流
| 種類 | 電流 の 向き | 例 |
|---|
| **[[直流 | ちょくりゅう]]** (DC) | いつ も 同じ 向き |
| **[[交流 | こうりゅう]]** (AC) | 周期的 に 向き が 入れ かわる |
周波数 (ヘルツ)
交流 が 1 秒間 に くりかえす 向き の 変化 の 回数 を 周波数 (単位 ヘルツ Hz) と いい ます。 日本 で は 東日本 が 50 Hz、 西日本 が 60 Hz と 二 つ の 周波数 が 使わ れ て い ます (糸魚川・静岡 を 境)。
発光ダイオード (LED) で 確かめる
LED は 決まっ た 向き に だけ 電流 を 流し て 光り ます。
| 電流 | LED の 光り 方 |
|---|
| [[直流 | ちょくりゅう]] |
| [[交流 | こうりゅう]] |
交流 を LED に つない で 振っ て み る と、 点滅 が 線 の よう に 見え、 交流 で ある こと が 確認 でき ます。
7. 身 の 回り の 電気 と 磁場
電気 と 磁場 の 関係 は、 私 たち の 生活 を 支える 多く の 機器 に 使わ れ て い ます。
| 機器 | 利用 し て いる 原理 |
|---|
| モーター ([[直流 | ちょくりゅう]]・交流) |
| 発電機 | [[電磁誘導 |
| スピーカー | コイル が 受ける 力 で 振動板 を 動か す |
| マイク | 振動板 の 動き を [[電磁誘導 |
| 変圧器 (トランス) | 1 次 コイル の 変化 する [[磁場 |
| IH 調理器 | 鍋自身 に [[誘導電流 |
| リニアモーターカー | 強力 な [[電磁石 |
| 電車 の 自動改札・カード | コイル と 電磁波 で 情報 を やり取り |
これ まで の 章 と の つながり: 第 5 章 の 「電流・電圧・抵抗」、 第 6 章 の 「磁場・電磁誘導」、 そして 第 4 章 の 「化学変化 と エネルギー」 は、 すべて エネルギー 変換 で つながっ て い ます。 火力発電 = 化学 → 熱 → 運動 → 電気、 と 4 段階 の 変換 が 行わ れ て い ます。
**コイル の [[磁場|じば]]** — [[電流|でんりゅう]] を 流 し た コイル ([[ソレノイド]]) の 周 り に は、 棒磁石 と 同 じ よう な 磁場 が で き る。 N 極 と S 極 が 現 れ る。
**右手 の法則** — 導線 を 親指 の 向 き に 電流 が 流 れ る と、 指 の 巻 き 方向 に 磁場 が で き る。 右ねじの法則 と 同 じ こと を 手 で 表 した もの。
安全 の きまり (この 章 で とくに 大切)
電気 と 強い 磁場 を あつかう 章 です。 つぎ の 注意 を まもり ましょう。
電気 の 安全
- ぬれ た 手 で コンセント や スイッチ に さ わ ら ない (感電 の おそれ)
- たこ足配線 を し ない (発火 の おそれ)
- 実験 で は 必ず 教師 の 指示通り の 電圧 に 設定 する
- ショート (+極 と -極 を 直接 つな ぐ) を 絶対 に し ない — 大電流 が 流れ、 電池 が 発熱 し、 やけど や 発火 を 起こ す
- 実験後 は スイッチ を 切り、 電池 を 外す
- コイル に 大電流 を 流し 続け ない — 発熱 し て 火傷 や 火災 の おそれ
- 100 V の 家庭用 コンセント を 直接実験 に 使わ ない — 感電死 の 危険
強い 磁場 の 注意
- 強力 な ネオジム磁石 は はさん だ 指 を つぶす ほど の 力 が ある — 顔 や 目 に 近づけ ない
- ペースメーカー (心臓 の 機械) を 入れ た 人 の そば で 強力 な 磁石 や 電磁石 を 使わ ない
- スマートフォン・カード (磁気 ストライプ)・時計 を 強い 磁場 に 近づけ ない — こわれる おそれ
- 鉄 や 鋼 の 工具 を 強力磁石 の 近く で 使わ ない — はさみこ ま れ て けが を する
こ ま っ た と き
火 が 出 た、 こ げ た に お い が す る、 感電 し た — すぐ に スイッチ を 切り、 教師 を 呼ぶ。 自分 で 何 と か しよう と し て は い け ま せ ん。
まとめ — 電流のはたらき を 3 行で
- 電流が流れると周囲に 磁場 ができ、 直線電流は 右ねじの法則 で向きが決まり、 コイルでは内部に強い磁場が生じる
- 磁場中の電流は力を受け (フレミングの左手の法則) これがモーターの原理、 逆に磁場の変化で電流が誘導されるのが 電磁誘導 と 誘導電流 である
- 直流 (向きが一定) と 交流 (周期的に向きが変わる) の違いを理解し、 発電機・モーター・スピーカーなど身の回りの電気機器の原理に結びつける