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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。

電流は磁場を作ります

1820年、デンマークの科学者ハンス・クリスティアン・エルステッドは、近くの導線に電流を流すと方位磁針が動くことに気づきました。電気と磁気が結びついていることを示す、最初の明確な証拠でした。長い直線導線の周囲を方位磁針で調べると、磁力線は導線を囲む円になります。向きはOpenStaxの「右手の法則2」に従います。右手の親指を電流の向きに向けると、残りの指を曲げた向きが磁場の向きです。

磁場は導線から遠ざかるほど弱くなり、B = μ₀ I ÷ (2π r)です。rは導線からの距離で、定数μ₀は真空の透磁率です。教科書では4π × 10⁻⁷ T·m/Aと表します。NISTの現在の値は1.25663706127 × 10⁻⁶ N/A²で、両者の差は十億分の一未満です。OpenStaxには、導線から5.0 cmの場所で地球の2倍の磁場、1.0 × 10⁻⁴ Tを作るには、どれだけの電流が必要かという問題があります。答えはI = 2π r B ÷ μ₀ = 25 Aです。測量士もよく知る効果で、頭上の送電線が方位磁針の測定を狂わせることがあります。

コイルは強く一様な磁場を作ります

導線を輪にすると、各部分の磁場が中央で足し合わされます。輪をいくつも重ねて長いコイル、つまりソレノイドにすると、内部の磁場は強く、ほぼ一様になり、巻いた導線のすぐ外側ではほぼゼロになります。長いソレノイドの内部ではB = μ₀ n Iで、nは1メートルあたりの巻き数N ÷ Lです。同じ長さで巻き数を増やしたり、電流を大きくしたりすると磁場が強まります。外側の磁場は棒磁石と同じ形で、一端がN極、他端がS極になります。

N極はどちらでしょうか。右手の指をコイルの電流の向きに沿って曲げると、親指がN極を指します。電流を逆にすると、極も入れ替わります。実験室のコイルは長さ10 cmです。200回巻きに2 Aを流すと、n = 2,000回/mで、B = 1.2566 × 10⁻⁶ × 2,000 × 2 = 5.03 × 10⁻³ T、約5 mTとなります。地球の磁場の目安50 μTの約100倍です。OpenStaxの大きな例では、長さ2.00 m、2,000回巻きのソレノイドに1,600 Aを流します。n = 1,000回/mとなり、B = 2.01 Tで、MRIの磁石と同じ強さです。これほどの電流では普通の銅線は過熱するため、MRI装置には超伝導コイルが使われています。

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長さ10 cmのコイルです。巻き数や電流を増やすと磁力線が増え、Bが大きくなります。電流を逆向きにするとN極とS極が入れ替わります。鉄心を入れ、磁力線が鉄の中に集中する様子を見てみましょう。
右ねじの法則：右手の指を巻いた導線の電流の向きに沿わせると、親指がN極を指します。内部ではB = μ₀ N I ÷ Lです。

鉄心と電磁石の用途

コイルに鉄心を入れると、電流による磁場が鉄の磁区の向きをそろえます。鉄も磁石になり、その磁場がコイルの磁場に加わります。強い磁力が必要な電磁石には、強磁性体の心を入れます。永久磁石と違い、電磁石は磁力を切ったり、強めたり、逆向きにしたりできます。スクラップ置き場のクレーンは電磁石で車を持ち上げ、電流を切って下ろします。粒子加速器ではビームの進路を曲げ、MRIでは患者が大きな超伝導コイルの内側に入ります。ただし、コイルの抵抗による限界があり、電流が大きすぎると導線が過熱します。

エルステッド、1820年電流が方位磁針を動かす
長い直線導線の磁場B = μ₀ I ÷ (2π r)、導線を囲む円
ソレノイド内部の磁場B = μ₀ n I、nは1メートルあたりの巻き数
μ₀4π × 10⁻⁷ T·m/A ≈ 1.2566 × 10⁻⁶
コイルのどちら側がN極ですか？右手の指を電流の向きに沿わせると、親指がN極を指す
ポイント
  • 電流は磁場を作ります（エルステッド、1820年）。
  • 長い直線導線の周りの磁力線は円になり、B = μ₀ I ÷ (2π r)です。
  • ソレノイド内部ではB = μ₀ n Iです。1メートルあたりの巻き数や電流が大きいほど、磁場は強くなります。
  • 右ねじの法則でN極がわかり、電流を逆にすると極が入れ替わります。
  • 鉄心を入れると、電磁石の磁場が大きく強まります。
  1. 1820年、電流で方位磁針が振れることを初めて発見したのは誰ですか？
    • ハンス・クリスティアン・エルステッド
    • マイケル・ファラデー
    • ウィリアム・ギルバート
    • アイザック・ニュートン
  2. 長い直線導線の周囲の磁力線は、どのような形ですか？
    • 導線を囲む円
    • 導線に沿う直線
    • 導線から離れる直線
    • 磁場はない
  3. 25 Aが流れる長い導線から5.0 cmの磁場を、10⁻⁴ Tを単位として答えましょう。（μ₀ = 4π × 10⁻⁷）
  4. 実験室のコイルは200回巻き、長さ0.10 m、電流2 Aです。内部の磁場は何mTですか？（小数第2位まで）
  5. 長さ2.00 mに2,000回巻くと、1メートルあたりの巻き数はいくつですか？
  6. そのソレノイドに1,600 Aを流すと、内部の磁場は何テスラですか？（小数第2位まで）
  7. 長さを変えずにソレノイドの巻き数と電流を両方2倍にすると、磁場はどうなりますか？
    • 4倍の強さ
    • 2倍の強さ
    • 変わらない
    • 8倍の強さ
  8. 電磁石の電流を逆向きにすると、どうなりますか？
    • N極とS極が入れ替わる
    • 磁石でなくなる
    • 磁力が2倍になる
    • 何も変わらない
  9. スクラップ置き場のクレーンが、永久磁石ではなく電磁石を使うのはなぜですか？
    • 磁力を切って荷物を下ろせるから
    • 空気より軽いから
    • アルミニウムを引きつけるから
    • 電気がいらないから
  10. コイルに鉄心を入れると、どうなりますか？
    • 磁場が大きく強まる
    • 磁場が打ち消される
    • 極が逆転する
    • 電流が止まる
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