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磁気

磁石と磁極、磁力線と方位磁針、地球の磁場、電磁石、そして電磁石を使ったモーターと発電機を学びます。エネルギー実験室では、方位磁針で磁力線を調べたり、コイルの巻き数や電流を変えたりできます。

進み具合

このコースについて

1600年、英国の医師ウィリアム・ギルバートは、自らの磁石の実験を記した『磁石論』を出版しました。天然磁石を球に削り、小さな方位磁針を表面で動かし、地球自体が大きな磁石のように振る舞うと論じました。以前の著者も地球と磁針の関係を疑っていましたが、明言した最初の本がギルバートの著作です。この考えは今も方位磁針の仕組みを説明します。地理上の北極近くの磁極は、磁石としてはS極なので、方位磁針のN極がそちらを向くのです。

5つの単元は磁石と磁極から始まります。棒磁石を半分に切っても、それぞれN極とS極を持つ2つの磁石になります。続いて磁場と磁力線を学びます。地表の地磁気は約25～65マイクロテスラで、病院のMRIのソレノイド内部はその数万倍です。地磁気の単元は、ギルバートの研究をたどります。電磁石では、長さ10 cmに200回巻いたコイルに2 Aを流すと、内部は約5 mT、地磁気の約100倍になると学びます。最後はモーターと発電機です。長さ5 cmの導線に20 Aを流し、1.5 Tの磁場を横切らせると1.5 Nの力を受け、これを輪にしたものがモーターです。エネルギーの実験室は、磁針で調べられる磁力線と、傾いた磁石としての地球を描きます。長さ10 cmのコイルの巻き数と電流を変え、電流を逆にすると磁極が入れ替わります。

はじめる前に

極、磁力線、地球の磁場を扱う最初の3つの単元は、事前に何も要りません。電磁石、モーター、発電機は電流に頼るので、先に電気を学んでおくと後半がずっと追いやすくなります。

終わったら

終えると、2つの極が引き合うか反発するかを予測し、磁力線を描いて決して交わらない理由を説明し、方位磁針の北を指す端が、磁石の言葉では南極にあたるものを指す理由を述べられます。コイルの内側の磁場を見積もり、磁場の中の電流の流れる導線にはたらく力を計算し、その力がモーターを回すしくみを説明できます。

  1. 1磁石と磁極棒磁石を半分に切ると、N極とS極をそれぞれ持つ2つの磁石になります。
  2. 2磁場と磁力線地表での地球の磁場は約25〜65マイクロテスラです。病院のMRIのソレノイド内部では、その数万倍の強さになります。
  3. 3地球の磁場地理上の北極付近にある磁極は、磁石の極としてはS極です。そのため方位磁針のN極がそちらを向きます。
  4. 4電磁石長さ10 cmに200回巻いたコイルに2 Aを流すと、内部の磁場は約5 mTで、地球の約100倍になります。
  5. 5モーターと発電機長さ5 cmの導線に20 Aを流し、1.5 Tの磁場と直角に置くと、1.5 Nの力を受けます。この仕組みを輪に応用すると、モーターになります。

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このコースの出典 (16)
  • OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 22.1 Magnets (all magnets have N and S poles, north-seeking and south-seeking, like poles repel and unlike attract, poles cannot be separated, the magnetic pole near the geographic North Pole is a south magnetic pole, sunspots come in N/S pairs)
  • 22.2 Ferromagnets and electromagnets (iron, cobalt, nickel, gadolinium; neodymium alloys; domains grow to millimetre size; Curie temperature of iron 1043 K (770 °C); Oersted saw a compass needle deflected by a current; electromagnets in scrapyard cranes, particle accelerators and MRI; electric current is the source of all magnetism; no monopoles observed)
  • 22.3 Magnetic fields and field lines (direction = where a compass north end points; four rules: tangent, density = strength, never cross, closed loops from N to S outside)
  • 22.7 Magnetic force on a current-carrying conductor (F = I l B sin θ, 1 T = 1 N/(A·m), example 20.0 A, 5.00 cm, 1.50 T gives 1.50 N; motors)
  • 22.9 Magnetic fields produced by currents (Oersted 1820, right hand rule 2, B = μ0 I ÷ (2π r), μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A, Earth's field about 5.0 × 10⁻⁵ T, 25 A at 5.0 cm gives twice that; loop centre B = N μ0 I ÷ 2R; solenoid B = μ0 n I, 2000 loops over 2.00 m with 1600 A gives 2.01 T, MRI; ferromagnetic cores)
  • 23.1 Induced emf and magnetic flux (Faraday's iron-ring apparatus, emf only while the field changes, magnet pushed into a coil, faster motion gives more emf, generators, Φ = B A cos θ)
  • NIST CODATA 2022 vacuum magnetic permeability μ0 = 1.25663706127(20) × 10⁻⁶ N/A² (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mu0)
  • NOAA NCEI Geomagnetism Frequently Asked Questions (ncei.noaa.gov/products/geomagnetism-frequently-asked-questions): field like a dipole at Earth's centre, over 90% from the outer core, intensity roughly 25,000 to 65,000 nT (0.25 to 0.65 gauss)
  • 1 gauss = 100,000 nT, declination = angle between magnetic north and true north (east positive)
  • inclination, dip poles, dipole axis 9.41° from the rotation axis (WMM2020, 2020.0)
  • north magnetic pole moving about 55 km per year north-northwest (2001 and 2007 surveys)
  • last reversal about 750,000 to 780,000 years ago, reversals spaced 5 thousand to 50 million years, a reversal would take several thousand years, models renewed every five years, blackout zones where H < 2000 nT, compass balance weights differ by hemisphere, true bearing = magnetic bearing + declination
  • NOAA NCEI news "World Magnetic Model 2025 Released" (17 December 2024)
  • NOAA NCEI "December 2025 State of the Geomagnetic Field" (north dip pole 36 km/yr and south dip pole 9 km/yr since 1 January 2025)
  • USGS, "Pre-gilbertian conceptions of terrestrial magnetism" (pubs.usgs.gov/publication/70009843): Gilbert's De Magnete (1600) first suggested that Earth behaves as a great magnet. Royal Institution, Michael Faraday's ring-coil apparatus (rigb.org): made August 1831, success on 29 August 1831, the first electric transformer
  • APS News "This Month in Physics History" (Aug 2001): Faraday's electromagnetic rotation experiments of September 1821, the principle behind the electric motor.

確認日: 2026-10-17