電流のはたらき
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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 (磁界) | 磁石や電流のまわりにできる、 磁力がはたらく空間 |
| 磁力線 | 磁場の向きを線で表したもの。 N 極から出て S 極へ |
| 磁針 | 小さな磁石。 N 極がさす向きが磁場の向き |
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 | 磁場が強くなる |
| 電流を大きくする | 磁場が強くなる |
| 鉄しん を入れる | 磁場がけたちがいに強くなる (電磁石) |
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 | 磁場の向き |
| 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 |
| 磁場を強くする (磁石を強いものに) | 大きくなる |
| 導線を磁場に直角にする | 最大 |
| 導線を磁場に平行にする | 0 (力を受けない) |
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 (DC) | いつも同じ向き | 電池、 太陽光パネルの出力 |
| 交流 (AC) | 周期的に向きが入れかわる | コンセントの電気、 発電所の出力 |
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 | 連続して光る |
| 交流 | 速く点滅する (人の目には連続に見える) |
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・交流) | 電流が磁場から受ける力 |
| 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で電流に変える |
| 変圧器 (トランス) | 1 次コイルの変化する磁場が 2 次コイルに誘導電流を起こす |
| IH 調理器 | 鍋自身に誘導電流が流れ、 抵抗で発熱 |
| リニアモーターカー | 強力な電磁石の反発・引き合いで浮上と推進 |
| 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。
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