「アルミニウムは磁石に付かない」。物質の性質として覚えているこの答えと、磁石の近くでアルミニウムの円盤がゆっくり落ちる展示は、矛盾しているように見えます。しかし、比べている条件が違います。一方は静止した磁石にくっつくか、もう一方は磁石との位置関係が変わる間にどんな力が働くかです。
初めて見る装置の問題でも、知らない名前を全部覚える必要はありません。磁石があるか、金属が動いているか、電気を通すか。与えられた比較を一つずつ読めば、説明の足場ができます。ここでは名古屋市科学館の「落ちにくい円盤」を手がかりに、動きに注目して考えます。
電気を通す性質と、磁石に付く性質
アルミニウムは電気を通す金属です。一方、ふだん磁石にくっつく物として扱う鉄とは性質が違います。「金属だから全部磁石に付く」とまとめても、「磁石に付かないから磁石とは何も関係しない」とまとめても、観察の一部を落としてしまいます。
磁石の近くで導体が動き、導体を通る磁界の状態が変わると、導体の内部に輪を描くような電流が生じることがあります。これを渦電流といいます。電池と導線をつないだ回路だけが電流の通り道ではありません。一枚の金属板の中にも、電流が巡る道ができるのです。
その電流が作る磁界と磁石との作用で、相対的な動きが妨げられます。円盤が磁石に近づく側では押し戻され、離れる側では引き戻される。この装置では、どちらも落ちる動きにブレーキをかける向きになります。
ゆっくり落ちることと、止まること
ブレーキが働くからといって、円盤が空中でずっと静止するとは限りません。動きが止まって磁界の変化がなくなると、この仕組みで生じる渦電流も持続しません。重力は引き続き下向きに働くため、円盤は再び動こうとします。展示では、結果として落下が遅くなる様子を観察できます。
また、遅くなった分のエネルギーが消えるわけではありません。渦電流が金属の抵抗を流れると、エネルギーは熱へ変わります。電池を使わないからエネルギーが要らない、という説明も不適切です。落ちる円盤なら、下がることによって失われる位置エネルギーが関係しています。
本稿の図は力の向きの概念図です。円盤の速さや磁石の強さから力の大きさを計算する図ではありません。中学受験の資料問題では、詳しい式を知らなくても、比較条件と結果が対応していれば読み進められます。
例題1 時間が長いのは、速くなったから？
同じ距離を落ちるアルミニウムの円盤を測りました。磁石がないときは0.4秒、磁石があるときは1.2秒でした。距離はどちらも60cmとします。各場合の平均の速さを求め、磁石があるときは何倍か答えなさい。数値は読み取り用の架空の記録です。
答え・解説： 磁石なしは60÷0.4＝150cm/秒、磁石ありは60÷1.2＝50cm/秒です。磁石ありの平均の速さは50÷150＝3分の1。時間は3倍ですが、同じ距離の平均の速さは3倍になりません。時間が長いことは、進むのに手間取ったことを表します。
ここで求めたのは全区間の平均です。円盤がどの位置でも50cm/秒で落ちたとまでは言えません。磁石のある場所で特に遅くなる可能性があるため、途中の動きを知るには位置ごとの記録が必要です。「平均」と「瞬間」を入れ替えないことも、この問題の大切な読み取りです。
例題2 アルミニウムとプラスチックを比べる
資料には「磁石の近くではアルミニウムの円盤が遅く落ちたが、電気を通しにくいプラスチックの円盤には同じ変化が見られなかった」とあります。説明として適切なのはどれでしょう。ア：磁石に付かない物は、磁石の影響を絶対に受けない。イ：導体の中に生じる電流が、動きに影響した可能性がある。ウ：すべての円盤は磁石の前で静止する。
答え・解説： イです。アとウは観察に合いません。ただし、材料を変えると質量や表面の状態も変わりうるため、この比較だけで細部まですべて証明できるわけではありません。それぞれの円盤について磁石あり・なしを比べ、形や落とす位置もそろえると、磁石による違いを読みやすくできます。
「プラスチックの方が速かった」だけではなく、「同じ材料で磁石を加えたとき、何が変わったか」を確認することがポイントです。材料二種類の単純な競争ではなく、条件の変更による差を調べています。
名前を知った後も、条件を消さない
渦電流という言葉を覚えると、どんな磁石と金属の組み合わせでも同じ現象が起こるように感じるかもしれません。けれども、金属の形、電流が巡れる道、動き方、磁界の変化によって結果は違います。結論には「この装置で」「動いているとき」と条件を残してください。
基礎の分類は金属と磁石、変化によって電流が生じる考え方は磁石の動きと電磁誘導につながります。静止した物の分類と、動く装置の仕組みを別々に読めるようにしましょう。