方位磁針の上に、南北方向のまっすぐな導線を置いて電流を流します。次に導線を磁針の下へ移すと、N極が振れる向きはどうなるでしょうか。電流の向きが同じでも、導線のどちら側にいるかが変われば、磁針の反応は逆になります。
中学入試の電流と磁石では、図を見て右手を合わせる前に、北・南、電流の向き、導線と磁針の上下を確認します。本稿ではまっすぐな一本の導線を扱い、コイルの端のN極・S極を求める問題と分けて考えます。
導線のまわりを、磁界が取り巻く
まっすぐな導線に電流を流すと、導線を取り巻く向きに磁界ができます。磁界の向きは、その場所に置いた小さな磁針のN極が向こうとする向きです。電流が導線に沿って流れる方向と、磁界が導線のまわりを巡る方向は同じではありません。
右手の親指を電流の向きへ向け、残りの指が巻く向きを見ます。ここで使うのは電流の向きです。金属中の電子が動く向きへ親指を合わせると逆になるので、問題の矢印が何を示すかを確認してください。
上下を言い換えて、見る場所を決める
北向きに電流が流れる水平な導線を考えます。その導線より上の位置では、導線による磁界は東向き、下の位置では西向きです。これは導線を取り巻く向きを、上下の二点で見ているためです。
「導線が磁針の上」という文章は、「磁針が導線の下」と言い換えられます。この配置では北向きの電流に対し、磁針は西側へ振れます。逆に導線が磁針の下なら、磁針は東側へ振れます。
「上」という一語だけを覚えず、どちらがどちらの上にあるかを必ず書きます。立体的な図が読みにくいときは、導線を一本の横棒、磁針の位置を点にして、高さの関係だけ別に描いてください。
電流を逆にする操作と、上下を逆にする操作
電流を北向きから南向きへ逆転させると、磁界の向きも逆になります。磁針の位置を変えなくても、振れる側は東西で逆になります。
電流を変えず、導線と磁針の上下関係だけを逆にしても、反対側の磁界を見るので振れる側は逆です。この二つを同時に変えると、二回逆になるため、最初と同じ側へ振れます。「二つ変えたから分からない」と止めず、一つずつ操作して追いましょう。
真東や真西を向くとは限らない
実際の方位磁針には、導線の磁界だけでなく地球の磁界も働きます。電流を流す前にはおおむね北を向いていたN極が、東側や西側へ傾くと考えます。電流があるだけで必ず90度回って真東を指す、という意味ではありません。
振れる角度まで求めるには、導線による磁界と地磁気の関係などの追加条件が必要です。本稿の例題は「どちら側へ振れるか」を答えるもので、角度を計算するものではありません。近くの磁石や鉄などの影響がない基本配置として扱います。
例題1：文章の上下を読み替える
導線を南北に置き、南から北へ電流を流します。導線は方位磁針より上にあります。N極は初めの北向きから東側・西側のどちらへ振れますか。次に電流だけを逆にすると、どちらへ振れますか。
答え・解説： 最初は西側、電流を逆にすると東側です。磁針は導線の下にあるので、北向き電流の磁界は西向きです。導線の位置を保ったまま電流を逆にすると、磁界も逆転します。
図の上側が北と決められているなら、右側は東、左側は西です。紙を回したときに、紙の右をいつまでも東として読まないようにします。方位の記号を先に置き、そこへ電流の矢印を書き足す順番が役立ちます。
例題2：二つの条件を同時に変える
例題1の初めの配置から、電流を北から南へ逆にし、導線を磁針の上から下へ移しました。N極が振れる側は最初と同じですか、逆ですか。操作を一つずつ説明しましょう。
答え・解説： 最初と同じ西側です。電流だけを逆にした段階では東側へ変わります。さらに上下を逆にすると、もう一度逆になって西側となります。直接右手で確かめるなら、南向き電流の導線より上に磁針がある配置です。
上から見た図では導線と磁針が重なって見えても、高さの違いは残っています。見た目の線が同じ位置だから同じ条件、と判断しないでください。図の注記に「上」「下」が書かれていないかを探します。
表にすると、四つの組を確認できる
北向き電流・磁針が下なら西、北向き電流・磁針が上なら東。南向きでは、それぞれが逆になります。四通りを暗記用の記号で埋めるより、一つの配置を右手で説明してから、逆転する操作を加えていくと応用できます。
なお、実験で乾電池の両端を導線だけで直接つなぐと、大きな電流が流れて発熱します。この記事の模式図は回路全体の工作手順ではありません。実物を確かめるときは、学校の実験装置と指導された電流制限・通電時間に従ってください。
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