磁石とコイルを使って電気をつくる実験があります。乾電池がつながっていないのに、検流計の針が動く。不思議に見える実験ですが、ここで覚えたいのは「磁石があれば電流が流れる」という一文ではありません。磁石を入れている途中なのか、入れたまま止めているのか。その違いを見てください。
コイルを通る磁界が変化すると、コイルに電圧が生じます。回路が閉じていれば、電流が流れます。この現象が電磁誘導です。中学受験の資料問題では、難しい式を知らなくても、磁石の動かし方と針の振れ方を対応させて考えられます。まずは、動きの途中を一枚の写真と混同しないところから始めましょう。
磁石があることと、磁界が変わることは違う
棒磁石のN極をコイルへ近づけると、コイルを通る磁界の様子が変わります。引き離すときにも変わります。しかし、磁石とコイルを両方とも固定すれば、位置関係は変わりません。ほかに変化がないこの実験では、入れたままの磁石が電流を流し続けるわけではありません。
図に磁石がコイルの中へ半分入っていても、それだけでは動いているか分かりません。矢印や「押し込む」「止める」「引き抜く」という動作の言葉を探します。静止した図から時間の変化を読むのが、この問題の入口です。磁力の強い磁石でも、ただ置いたままで永久に発電できるわけではないことも、ここから分かります。
針の右・左は、その実験の基準から読む
検流計が右へ振れたら、いつでもN極を近づけたことを意味するのでしょうか。そうではありません。コイルの巻き方や、検流計へのつなぎ方で、表示される左右は変わります。「N極を近づけると右」と条件が与えられたら、その装置での基準として使います。
同じつなぎ方で、同じ極を近づける操作から遠ざける操作に変えると、電流の向きは反対になります。同じ動かし方でN極とS極を入れ替えても、向きが反対になります。どこを一つ変えたかを数えてみましょう。極と動きの両方を逆にする場合は、一つだけ逆にした場合と区別しないといけません。
強さを比べるなら、動かす区間もそろえる
同じ磁石とコイルを使って、同じ区間を速く動かす場合とゆっくり動かす場合を比べると、磁界の変わる速さに違いが出ます。一般に、速く変化させるほど大きな電圧が生じます。ただし、針が動く時間まで同じとは限りません。短い時間に大きく振れることと、長い時間に小さく振れることを、別々に読みます。
磁石を動かす速さを調べたいのに、一方だけ磁石を強いものに変えたり、コイルの巻き数まで変えたりすると、原因が重なります。表に複数の条件が並んでいたら、まず変えたい一項目以外が一致する二行を選びます。目立つ数値を比べる前に、公平な比較になっているかを確かめるのです。
例題1｜止めたあとも右に振れ続ける？
ある装置で、棒磁石のN極をコイルへ押し込むと、検流計は右に振れました。磁石を途中で止め、コイルも動かさず、ほかの条件も変えません。そのあと針が落ち着いたとき、右に振れたままになりますか。さらに同じN極を引き抜くと、どちらに振れますか。
答え・解説： 止めたあとは電流が流れ続ける条件がなく、針はゼロへ戻ります。同じN極を引き抜くと、押し込むときとは変化が逆なので、左に振れます。磁石が中にあるかどうかだけでなく、その状態が変化しているかを見ます。実際の針が止まるまでの揺れと、流れ続ける電流は分けて考えてください。
例題2｜二つの条件を逆にしたら？
例題1と同じ装置のまま、N極を近づける代わりに、S極を遠ざけました。検流計の針の向きは、N極を近づけたときと同じでしょうか、反対でしょうか。
答え・解説： 同じ向きです。N極を近づける場合から、まずN極を遠ざける場合へ変えると一度逆になります。次に、遠ざける極をN極からS極へ変えると、さらに逆になります。二段階で追えば、最初と同じ右向きになります。「逆」という言葉をまとめず、極の変更と動きの変更を一つずつ処理するのがポイントです。
発電には、動かすためのエネルギーが必要
磁石とコイルの実験では、手で動かす仕事が電気のエネルギーにつながります。発電機でも、回すためのエネルギーが必要です。磁石が電気をためた容器で、そこから取り出している、という模型ではありません。また、電流を流して磁力を生じさせる電磁石の実験と、磁界の変化で電流を生じさせる実験は、出発点が違います。
実験を見直すときは、何を加え、何が変化し、何を測ったかを順に言ってみましょう。「手で磁石を動かす。コイルを通る磁界が変わる。検流計で電流を調べる」。途中を省かずつなぐと、写真だけでは読み取れなかった仕組みが見えてきます。