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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。

力の働きを地図にする

磁石は別の磁石に触れずに、押したり引いたりします。この離れた場所への作用を表すため、物理学では磁石の周囲の空間を磁場Bで記述します。磁場には、各点で向きと強さがあります。向きは小さな方位磁針で定義され、磁針のN極が指す向きが磁場の向きです。測る磁場を乱さないよう、十分に小さい方位磁針を使います。

棒磁石の周囲に方位磁針を並べ、それぞれが示す向きをつなぐと磁力線が描けます。OpenStaxは、磁力線の規則を4つにまとめています。第1に、各点の磁場はその点で磁力線に沿うため、方位磁針もその向きを向きます。第2に、線の間隔が磁場の強さを表し、密なほど強くなります。第3に、各点の磁場の向きは1つなので、線どうしは交わりません。第4に、磁力線は始まりも終わりもない閉じた曲線です。磁石の外ではN極からS極へ、内部ではS極からN極へ続きます。

棒磁石の周囲の磁力線はN極から出て、曲がりながらS極に入ります。磁場が最も強い磁極付近で、線の間隔が最も狭くなります。

磁力線は図に表すための道具で、空間に糸があるわけではありません。ただし、磁石の上に紙を置き、鉄粉を振りかけると、その模様が見えます。鉄粉はそれぞれ小さな磁石になり、磁場に沿って向きを変えるため、磁力線に合った曲線状に並びます。

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棒磁石の周囲に小さな方位磁針を格子状に配置しています。大きな方位磁針を動かしてみましょう。赤い端は磁力線に沿い、磁極の近くでは線が密になります。

磁場の強さを測る単位：テスラ

磁場の強さのSI単位はテスラ（T）です。1テスラは強い磁場です。長さ1 mの導線に1 Aの電流を流し、1 Tの磁場と直角に置くと1 Nの力を受けるため、1 T = 1 N/(A·m)です。身近な磁場はずっと弱いので、マイクロテスラ（μT、テスラの百万分の一）やナノテスラ（nT、十億分の一）がよく使われます。古い単位のガウスも、地質学や磁石の表示で使われています。1ガウス = 10⁻⁴ T = 100,000 nTです。

目安になる数値を見てみましょう。NOAAの国立環境情報センターによると、地表での地球の磁場はおよそ25,000〜65,000 nTで、25〜65 μT、または0.25〜0.65ガウスです。OpenStaxでは、丸めた値の5.0 × 10⁻⁵ T、つまり50 μTがよく使われます。計算例では、強い実験用磁石に1.50 T、MRI装置で使うような大型ソレノイド内部に2.01 Tを用いています。後者は地球の磁場の約40,000倍です。

磁場強さ
地表（NOAAの範囲）25〜65 μT
地球（OpenStaxで使う概数）50 μT = 5.0 × 10⁻⁵ T
強い実験用磁石（OpenStaxの例）1.50 T
MRIのような大型ソレノイド（OpenStaxの例）2.01 T

2つの磁石：磁場は足し合わされます

2つの磁石が近くにあると、各点の磁場は両方の磁場を矢印として足し合わせたものになります。N極とS極を向かい合わせると、磁力線はすき間をまっすぐ横切り、一方から他方へつながります。すき間の磁場は強く、磁石は引き合います。N極どうしを向かい合わせると、両方から出た線は横にそれ、すき間から押し出されます。両極の中間には、磁場が打ち消し合う点があります。そこに正確に置いた方位磁針には、この2つの磁石による向きの偏りがなく、弱い地球の磁場だけが作用します。

机の上の方位磁針が誤った方位を示すのも、磁場の足し合わせで説明できます。鋼鉄の机の骨組み、スピーカーの磁石、近くの配線の電流はそれぞれ磁場を作り、その近くでは地球の25〜65 μTより強くなることがあります。磁針は北ではなく、合成された磁場の向きを指します。正しく測りたいときは、金属製品や電気機器から方位磁針を離しましょう。

Bの向き方位磁針のN極が指す向き
密な磁力線強い磁場
磁石の外での磁力線の向きN極からS極へ
テスラ（T）1 T = 1 N/(A·m)
1ガウス10⁻⁴ T = 100,000 nT
ポイント
  • 方位磁針は磁場の向きを示し、N極がBに沿って向きます。
  • 磁力線の接線がBの向きです。線が密なほど磁場は強く、線は交わりません。磁石の外ではN極からS極へ進み、閉じた曲線になります。
  • SI単位はテスラで、1ガウス = 10⁻⁴ Tです。
  • 地表での地球の磁場は約25〜65 μTです。
  1. 棒磁石の外で、磁力線はどちらへ向かいますか？
    • N極からS極へ
    • S極からN極へ
    • 両極からまっすぐ離れる方向
    • 中央の周りを円形に回る方向
  2. 棒磁石の周囲で、磁力線が最も密になるのはどこですか？
    • 磁極の近く
    • 磁石から遠い場所
    • 側面の中央
    • どこでも等間隔
  3. 2本の磁力線が交わらないのはなぜですか？
    • 各点の磁場の向きは1つだから
    • 線どうしが反発するから
    • 鉄でできているから
    • 磁石の内部にしか存在しないから
  4. 1ガウスは何ナノテスラですか？
  5. ある場所の地球の磁場は50,000 nTです。何ガウスですか？
  6. 50 μTを、10⁻⁵ Tを単位として表しましょう（5.0と答えると5.0 × 10⁻⁵ Tを意味します）。
  7. 2.01 Tの磁場は50 μTの何倍の強さですか？（整数に四捨五入）
  8. 方位磁針のN極は、何の向きに沿って向きますか？
    • 磁場の向き
    • 常に地理上の北極
    • 最も近い鉄片の方向
    • 電場の向き
  9. 磁石の上にまいた鉄粉が並ぶのはなぜですか？
    • 鉄粉がそれぞれ小さな磁石になり、磁場に沿って向きを変えるから
    • 帯電しているから
    • 空気の流れに押されるから
    • 重力に引かれて磁極へ向かうから
  10. 棒磁石の内部で、磁力線はどのように進みますか？
    • S極からN極へ
    • N極からS極へ
    • 進まない。磁極で途切れる
    • 円を描く
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