電流と磁石で物が浮くリニアモーターカーの秘密【フレミングの法則】

磁石はどんな場所に使われている?

浮く盆栽を知っていますか?

こんな商品で、日本の伝統的な盆栽が空中に浮いたまま回転するというなんとも風流なものです。

それ以外にもオシャレな浮かせるグッズが売ってます。

なんかカッコいい!!

これらのグッズは磁石の力を使ってものを持ち上げています

磁石の力は離れた場所でもはたらくという素晴らしい力があります。

磁石の力は超便利なので、いろいろな場所に使われています。

磁石が使われている場所、どんな場所が思いつきますか?

スマホや扇風機、スピーカーなどに使われています。

磁石を使ったリニアモーターカーという超すごい技術もあります。

リニアモーターカー磁石の力を利用して新幹線よりもはやいスピードで走ることを可能にしています!

その速さはなんと時速1000㎞!!新幹線の3倍です!

なぜ身の周りのいろいろな場所に磁石が使われているのでしょうか?

磁石のすごいところは、電流と磁力で「力」を作れることなんです!

浮く盆栽もリニアモーターカーも電気を使って、力をつくることで浮かせたり、ものすごいスピードで動くことができているんだね。

しかし、どうやって電気で力を生み出しているでしょうか?

今回は電気と磁界、力の関係と解き明かしていきましょう!

今回の課題電気と磁力で「力」を生み出せる?

電気と磁力の関係を調べよう!

磁力と電気で力を生み出す方法を調べるためにこのような実験装置を組み立てました。

この装置は、導線をブランコのように曲げているから、電流が流れるし、動くことができる!んです。

この装置に電流を流してブランコをU字磁石ではさみました。

すると、

ブランコがに動きました!

POINT電流と磁石で力を生み出せる!

条件をいろいろ変えて実験をして、ブランコの振れの変化を観察しましょう。

①電流の向きを逆にする

②U字磁石を逆にする

③流れる電流を大きくする

この3つで実験してみましょう!

①電流の向きを逆にする

電流の向きを逆にするとこうなります。磁石の向きを変えないように注意しましょう。

電流の向きを逆にするとに振れたブランコが手前に振れるようになりました!

電流の向きとブランコの揺れ方は関係してそう

②U字磁石を逆にする

U字磁石を逆にするとこうなりました。

磁石の向きを逆にしてもブランコの揺れが逆になることがわかります。

電流も磁石の向きも、それぞれ逆にするとブランコの振れは逆の手前に動きました。

じゃあ

電流と磁石の両方を逆にしたらどうなるでしょう?

結果は、

手前に動きました!

逆の逆って感じだね。

電流:逆向き、磁界:逆向きなら力は同じ向き

逆の逆はそのままってことだね!

③流れる電流を大きくする

流れる電流を大きくするとブランコの振れが大きくなりました

ちなみに磁石を強いものに変えても振れは大きくなります

〈結果〉

まとめると、

実験結果電流の向きを変える     →振れが逆になる

磁石の向きを変える     →振れが逆になる

電流・磁石両方の向きを変える→振れは変わらない(逆の逆)

電流を大きくする      →大きく振れる

磁石を強くする       →大きく振れる

 

となりました。

電流と磁石とブランコの「向き」に注目してみましょう!

電流は + → − に動くんでした。

磁石は磁力線の向きを考えてN極→S極の方向に磁界ができました

それにブランコの動きを合わせて考えてみましょう。

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写真で考えると

電流:右→左

磁界:下→上

力 :奥→手前

となります!

なんとこの3つの関係は3次元になっているんです!

立方体をイメージすると分かりやすいですね!

この関係を簡単に理解するための法則がフレミングの左手の法則です!

フレミングの左手の法則はその名の通り左手を使います。

左手をこのように3方向に向くよう指を立てます。

中指:電流

人差し指:磁界

親指:

とそれぞれ対応しています。

この便利なフレミングの法則を使いこなせるようになりましょう!

フレミングの法則は超便利!しっかり使いこなそう!

というわけで問題です!

問題

左手を用意!

中指に電流を、人差し指に磁界を合わせましょう!

 

すると力は「奥」になります!

できましたか?

 

電流と磁界で力を生み出せましたね。

これを利用した道具にモーターがあります。

モーターというのはコイルに流れる電流に磁界から力がはたらくことで回転する道具です。

モーターは基本、道具の中に入っているので見ることはあまりありませんが、乗り物や家電などさまざまな場所で使われています!

↓モーター

モーターの仕組み

モーターの仕組みを理解するために、導線を輪の形にして磁界の中に入れてみましょう。

こうすると、導線を流れる電流が磁界から力を受けて回ります。

 

モーターはさらにすごい仕組みでうまく回転するように考えられています。

その天才的な仕組みは整流子というものです。

上のコイルのモデルでは、半回転すると電流の向きが変わってしまうことに問題があります。

つまり、半回転した時に電流の向きが変わらなければ、コイルは回転し続けるわけです!

整流子の仕組みはこのようになっています。

最大のポイントは導線と電流が流れ込む場所が「触れている」だけでくっついていないことです。

こうすることによって、上を通っていた導線には必ず右から左に電流が流れます

半回転しても、これが変わらないから回り続けることができます!

今日のまとめ

磁界の中で電流を流すと力がはたらく

力の向きはフレミングの左手の法則で考えることができる

モーターは整流子によって回転し続けることが可能になっている

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プロフィール
ゆうしろ

私立中・高一貫校の現役理科教員です。
専門は生物学で、中学・高校理科の教員免許を持っています。
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