磁石 — 極・磁場・電磁石

磁石は、磁場を生み出す物体や系です。入門的なモデルでは、磁石には北極と南極という2つの極があり、異なる極どうしは引き合い、同じ極どうしは反発します。大切なのは磁石のまわりにある磁場で、これによって磁石が離れたところでも押したり引いたりできることが説明できます。

永久磁石は、外部から電力を与えなくても磁石としての性質を保ちます。電磁石は、ふつう導線を巻いたコイルに電流が流れている間だけはたらきます。

磁石とは何か

磁石は、磁場の源として考えるのがいちばんわかりやすいです。磁場は磁石のまわりの空間に広がり、各点で磁気的な作用の向きを与えます。

これが方位磁針がはたらく理由です。針は磁石そのものに触れているからではなく、その場所にある磁場に反応して向きを変えます。

簡単な図では、磁場の線は磁石の外側で北極から出て南極に入るように描かれます。ただし、これらの線は実際のひもではなく、見え方を表すための図です。全体としては閉じたループをつくります。

北極と南極は、棒磁石の外側の磁気的な作用が特に強く現れやすい部分です。これは向きを表すラベルであって、端に別々の物質がたまっているわけではありません。

教室で学ぶ基本ルールはシンプルです。

よくある誤解の1つは、棒磁石の中に北の部分と南の部分が別々に入っていると考えることです。棒磁石を半分に切っても、ふつうは孤立した北極1つと孤立した南極1つにはなりません。両方の極をもつ、より小さな2つの磁石になります。

磁場とは、磁石、動いている電荷、電流の流れる導線がどのように相互作用できるかを決める環境のことです。多くの学習者にとっては、磁場を「源のまわりの向きと強さの地図」と考えると理解しやすいです。

ある領域で磁場が強ければ、磁気的な作用もそこでよりはっきり現れやすくなります。場所によって磁場の向きが変わるなら、方位磁針の針のような物体はそれに合わせて回転できます。

このことから、「磁石は金属を引きつける」という言い方があいまいすぎることもわかります。磁石が強く引きつけるのは、鉄・ニッケル・コバルトのような物質や、多くの場合鉄を含む鋼です。アルミニウム、銅、銀、金などは、ふつうの教室で扱う状況では同じようにはふるまいません。

永久磁石は、材料内部の磁気的なそろい方によって磁化を保っています。冷蔵庫のマグネットや棒磁石は身近な例です。

電磁石は電流に依存します。電流がコイルに流れると、コイルは磁場をつくります。コイルが軟鉄のような強磁性体の芯に巻かれていると、その効果はコイルだけの場合よりふつうずっと強くなります。

ここで条件が重要です。電流が止まると、コイルによる電磁石の磁場は大部分が消えます。芯の材料によっては少し残留磁化が残ることもありますが、主な制御可能な効果は電流に依存しています。

絶縁された導線を鉄のくぎに巻きつけ、簡単な教室実験として低電圧の電源につなぐとします。

電流が流れている間、コイルは磁場をつくります。鉄のくぎはその磁場の中にあるので、磁区の向きがよりそろい、くぎは磁石のようにはたらきます。

その結果、くぎは小さなスチール製のクリップを持ち上げられます。電流を切ると、くぎはふつうその一時的な磁気の効果の大部分を失います。これがこの装置と永久磁石との重要な違いです。

この1つの例で、主要な考え方がまとまります。

電流の向きを逆にすると、電磁石の北極と南極も逆になります。

そうではありません。日常で見られる強い引力は、主に鉄や多くの鋼のような強磁性体に関係しています。

磁力線は図です。向きや相対的な強さをイメージするのに役立ちますが、空間にある文字どおりの糸ではありません。

電磁石は電流が流れることで働きます。電流が変化したり止まったりすると、磁気的なふるまいも変わります。

磁場は、源のまわりの環境を表します。力は、その磁場の中で特定の物体が受けるものです。

磁石は、方位磁針、スピーカー、電動機、発電機、MRI装置、磁気ラッチ、リレー、スクラップヤードのつり上げクレーンなどに使われています。電磁石は、磁気的な効果をオンにしたりオフにしたり、あるいは制御したいときに特に便利です。

また、物理では橋渡しとなる重要なテーマでもあります。磁石と磁場が理解できると、電磁誘導やモーターのような考え方もずっと追いやすくなります。

くぎとコイルの装置を自分でも試してみましょう。電池のつなぎ方を逆にすると何が変わるか予想し、その結果を極の向きと磁場の向きを使って説明してみてください。

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