電流が つくる 磁力 (電磁石)
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この 章で 学ぶこと
4 年生 で 「電気 の はたらき」 を 学び、 直列 と 並列 の つなぎ方 で 豆電球 の 明るさ や モーター の 速さ が 変わる こと を 確かめ ました。
5 年生 で は その 続き と して、 「電流 が 流れる と 磁力 が 生まれる」 と いう ふしぎ な はたらき を 学び ます。 そして ものづくり で 電磁石 を 自分 の 手 で 作り ます。
- 電磁石 の しくみ (鉄しん + コイル + 電流) を 知る
- 自分 で 電磁石 を 作って 動かす
- 電磁石 に も N 極 と S 極 が ある こと、 電流 の 向き で 入れ替わる こと を 知る
- 電流 の 大きさ で 磁力 が 変わる こと を 実験 で 確かめる
- コイル の 巻き数 で 磁力 が 変わる こと を 実験 で 確かめる
- 身近な 電磁石 (モーター・スピーカー・リレー・電磁石 クレーン) を 知る
ポイント: 電磁石 は 「電気 を 流して いる 間 だけ 磁石 に なる」 のが ふつう の 磁石 と ちがう ところ。 スイッチ を 切る と 磁力 が なくなる ので、 「磁力 を 自由 に つけ たり 消し たり できる 磁石」 と 言え ます。 これ が モーター や スピーカー に つかわ れる 理由 です。
1. 電磁石 と は
電磁石 と は、 つぎ の 3 つ の 部品 で できた 磁石 です。
| 部品 | 何 を つかう か | はたらき |
|---|---|---|
| 鉄しん | 鉄 の くぎ や ボルト | コイル の 中 に 入れる 心 (しん) |
| コイル | エナメル線 を ぐるぐる 巻いた もの | 電流 が 流れる 通り道 |
| 電流 | 電池 と スイッチ | コイル に 電気 を 流す |
エナメル線 を 鉄 の くぎ に 同じ 向き で ぐるぐる 巻いて、 電池 を つなぐ と、 鉄 の くぎ が 磁石 に なる の です。
| じょうたい | 鉄しん は…? |
|---|---|
| 電流 が 流れて いる | 磁石 (鉄 を 引きつける) |
| スイッチ を 切る (電流 が 止まる) | ふつう の 鉄 (磁石 で ない) |
大事: 電流 を 流す と コイル の 中 に 磁力 が 生まれる。 これ を 「電流 の 磁気作用」 と 言い ます。 エルステッド と いう 人 が 約 200 年前 に 発見 しました。
コイル だけ でも 磁石 に なる の？
実 は、 コイル だけ (鉄しん なし) でも 弱い 磁石 に なり ます。 でも、 中 に 鉄しん を 入れる と 磁力 が 何十倍 にも 強く なる。 鉄 が 磁力 を 集める は たらき が ある から です。
2. 電磁石 を 作ろう (ものづくり)
実際 に 自分 の 手 で 電磁石 を 作って みます。 5 年生 の 学習指導要領 に 必須 の ものづくり と して 入って い ます。
用意 する もの
| もの | 数 | 役割 |
|---|---|---|
| エナメル線 (0.4 mm くらい) | 約 5 m | コイル に なる |
| 太い 鉄 の くぎ (10 cm くらい) | 1 本 | 鉄しん |
| 電池 (1.5 V) | 1 個 | 電流 の 源 |
| 電池 ボックス | 1 個 | 電池 を 持つ |
| スイッチ | 1 個 | 電流 を 止める・流す |
| クリップ | 5 〜 10 個 | 引きつけ られる か 確かめる |
| 紙やすり | 少し | エナメル線 の 先 を けずる |
作り方
| ステップ | やる こと |
|---|---|
| ① | エナメル線 を 鉄 の くぎ に 100 回同じ 向き で 巻く (ぐるぐる ぐるぐる) |
| ② | 巻き始め と 巻き終わり の 線 を 20 cm くらい 残す |
| ③ | 残した 線 の 先 (両はし) を 紙やすり で けずる (エナメル を はがす と 電流 が 流れる) |
| ④ | 電池 ボックス と スイッチ と コイル を つなぐ |
| ⑤ | スイッチ を 入れて、 クリップ に 鉄しん を 近づける |
確かめ 方
- スイッチ ON → クリップ が 鉄しん に くっつく = 磁石 に なって いる
- スイッチ OFF → クリップ が ぽろぽろ 落ちる = 磁石 で なくなった
ポイント: エナメル線 の 先 を 紙やすり で けずる の を 忘れる と、 電流 が 流れず 失敗 する。 エナメル は 電気 を 通さない から です。 一番多い 失敗 な ので 注意。
3. 電磁石 の N 極・S 極 と 電流 の 向き
電磁石 に も ふつう の 磁石 と 同じ よう に N 極 と S 極 が あり ます。 でも、 ふつう の 磁石 と ちがう 大きな とくちょう が あり ます。
大事: 電流 の 向き を 反対 に する と、 N 極 と S 極 が 入れ替わる。 これ は ふつう の 磁石 で は 絶対 に 起き ない ふしぎ な こと です。
確かめ 方
| やり方 | わかる こと |
|---|---|
| 電磁石 に 方位磁針 を 近づける | どちら が N 極 か わかる (方位磁針 の N 極 と 反発 する 方 が 電磁石 の N 極) |
| 電池 の + 極 と − 極 を 入れ替える | 電流 の 向き が 反対 に なる |
| もう 一度方位磁針 を 近づける | 「さっき まで N だった 方」 が S に 入れ替わって いる |
| 電流 の 向き | 鉄しん の 頭 | 鉄しん の 先 |
|---|---|---|
| → の 向き | N 極 | S 極 |
| ← の 向き (反対) | S 極 | N 極 |
ポイント: モーター が 回転 する しくみ も これ と 関係 が あり ます。 電流 の 向き を 速く 入れ替える と、 N と S が 入れ替わって 「引きつけ → 反発」 を くり返し、 回り 続ける の です。
4. 電流 の 大きさ で 磁力 が 変わる
「電池 を 1 個 から 2 個 に ふやす と、 電磁石 は もっと 強く なる かな？」 を 条件制御 で 確かめ ます。
じょうけん
- 変える : 電池 の 数 (1 個・2 個直列)
- そろえる : コイル の 巻き数 (100 回)、 鉄しん、 同じ 電磁石
- 計る : 引きつけた クリップ の 数
結果 (例)
| 電池 の 数 | 電流 (約) | 引きつけた クリップ |
|---|---|---|
| 1 個 (1.5 V) | 1 A | 5 個 |
| 2 個直列 (3 V) | 2 A | 10 個 |
考察: 電池 を 2 個直列 に する と 電流 が 2 倍 に なり、 引きつけた クリップ も 約 2 倍 に なった。 つまり 電流 が 大きい ほど 磁力 が 強い。
大事: 並列つなぎ で は ない こと に 注意。 4 年生 で 学んだ よう に、 直列 = 電流 が ふえる、 並列 = 長持ち する でした。 電磁石 を 強く したい なら 直列。
5. コイル の 巻き数 で 磁力 が 変わる
つぎ は 「コイル を たくさん 巻く と もっと 強く なる か」 を 確かめ ます。
じょうけん
- 変える : コイル の 巻き数 (50 回・100 回・200 回)
- そろえる : 電池 1 個 (1.5 V)、 鉄しん、 同じ エナメル線 の 太さ
- 計る : 引きつけた クリップ の 数
結果 (例)
| 巻き数 | 引きつけた クリップ |
|---|---|
| 50 回 | 3 個 |
| 100 回 | 5 個 |
| 200 回 | 10 個 |
考察: 巻き数 が 多い ほど 磁力 が 強く なった。 50 回 → 200 回 (4 倍) で クリップ も 約 3 倍 に なった。 つまり 巻き数 が 多い ほど 磁力 が 強い。
まとめ
| くふう | 磁力 |
|---|---|
| 電流 を 大きく する (電池 を 直列 で ふやす) | 強く なる |
| コイル の 巻き数 を ふやす | 強く なる |
| 両方同時 に する | もっと 強く なる |
ポイント: 工場 で 鉄 を 持ち上げる 電磁石 クレーン は、 巻き数 を 何千回 も して、 大きな 電流 を 流して い ます。 だから 何 トン も の 鉄板 を 持ち上げ られる の です。 そして スイッチ を 切れば 一瞬 で はなせる の が 強み です。
6. 身近 な 電磁石
電磁石 は 私たち の くらし の あちこち で つかわ れて い ます。
モーター
電気 で 物 を 動かす ほぼ すべて の 道具 に 入って い ます。
- 扇風機・洗濯機・電車・エレベーター・電気自動車
- 電磁石 と ふつう の 磁石 を 組み合わせ、 N と S を 速く 入れ替えて 回転 さ せる
- 4 年生 で 動かした 「プロペラ 付き モーター」 も 同じ しくみ
スピーカー
音 を 出す 道具。
- スピーカー の 中 に 電磁石 と コーン (ふるえる 紙) が 入って いる
- 電流 が 速く 変わる と 電磁石 も 速く 変わり、 コーン が ふるえて 音 が 出る
- イヤホン も 同じ しくみ
リレー と 電磁ロック
- リレー : 弱い 電流 の 電磁石 で、 強い 電流 の スイッチ を ON/OFF する 部品 (車 や 家電 の 中)
- 電磁ロック : ホテル や マンション の 入り口 の 電気 じょう。 カード を かざす と 電磁石 が 動いて 鍵 が 開く
電磁石 クレーン
工場 で 鉄板 や 鉄くず を 持ち上げる 大型 クレーン。
- スイッチ ON で 大きな 電磁石 が 強い 磁力 を 出し、 鉄 を 引きつける
- 運んだ 場しょ で スイッチ OFF → 一瞬 で 鉄 が 落ちる
- ふつう の 磁石 で は 「はなす」 が できない から、 電磁石 で ない と できない 仕事
7. ふりかえり
この 章 で 学んだ こと を ふりかえり ましょう。
- 電磁石 は 鉄しん + コイル + 電流 で できる と 言える
- 電流 が 流れて いる 間 だけ 磁石 に なる こと が わかる
- エナメル線 の 先 を 紙やすり で けずる 必要 が ある と 言える
- [ ]電磁石 に も N 極 と S 極 が あり、 電流 の 向き で 入れ替わる と 言える
- 電流 が 大きい ほど 磁力 が 強い (電池 を 直列 で ふやす) と 言える
- コイル の 巻き数 が 多い ほど 磁力 が 強い と 言える
- モーター・スピーカー・リレー・電磁石 クレーン が 電磁石 の 利用 と 言える
- [ ]自分 で 電磁石 を 作って 動かす こと が できる
この 章の 安全配慮
- 電池 の + と − を 直接 つなが ない (ショート = 大電流 が 流れて 電池 が 熱く なる、 やけど・電池 の はれつ の 危険)
- 巻きはじめ と 巻き終わり の 線 が 触れ ない よう に (これ も ショート の 元)
- コイル と 鉄しん が 熱く なる こと が ある — 長く 電流 を 流し っぱなし に しない (5 〜 10 秒 で スイッチ を 切る)
- エナメル線 を 引っぱら ない — 切れる と 火花 が 飛ぶ・コイル が ほどける
- 使い終わったら かならず スイッチ を 切る (電池 が 早く 切れる だけ で なく 発熱 が こわい)
- 電流計 を つかう とき は、 必ず 直列 に つなぐ (並列 に つなぐ と こわれる、 4 年生復習)
- 強い 磁石 を 心臓 ペース メーカー の 人 に 近づけ ない (家族 に 確認)、 磁気 カード (定期券・キャッシュ カード) に 近づけ ない
次の 章: 第 8 章 で は 「流れる 水 の はたらき と 土地 の 変化」 を 学び ます。 4 年生 で 学んだ 「雨水 の 行方」 が、 5 年生 で は 川 の 上流・中流・下流 と いう 大きな スケール に 進化 します。 浸食・運搬・堆積 の 3 つ の はたらき で 土地 が どう 変わる か、 大雨 や 洪水 と どう 関係 する か、 自分 の 町 の 川 を 思い 浮かべ ながら 学び ましょう。