電磁誘導や発電機に関する問題演習を行います。典型問題からレンツの法則を使う問題までありますので、自分の学習度合いに応じて活用してください。
中学2年理科。「電磁誘導」について学習します。コイルと磁石を使って電流を生み出す仕組みを理解しましょう。また、どの向きに電流が流れるのかをレンツの法則で判断できるように練習します。直流と交流の違いも忘れずに復習しましょう。
電磁誘導
下の図のように、導線をグルグルに巻いたコイルに棒磁石を近づけたり遠ざけたりすることで、コイルに電流が流れる現象を電磁誘導といいます。
次の（ ）内に語句を入れれるようにしておきましょう。
ア…磁界
イ…電圧
ウ…誘導
エ…電磁誘導
詳しい仕組みは高校生になってから学習しますので、ここではそういうものなんだくらいの知識で十分です。
誘導電流を大きくるには
電磁誘導で生じる誘導電流を大きくする方法は次の3つです。
- 棒磁石をすばやく動かす
- 磁力が強い磁石に変える
- コイルの巻き数を増やす
棒磁石をすばやく動かすことで、コイルのまわりの磁界が急激に変化し、大きな電圧が生じます。この結果大きな電流が流れるのです。強力な磁石に変えたり、コイルの巻き数を増やすことで、変化する磁界自体を強くする方法でも誘導電流は大きくなります。
この3つの方法の中で、テストや入試で一番聞かれるのが、「棒磁石をすばやく動かす」です。なぜかというと、「実験の器具を変えずに、誘導電流を大きくする方法を答えよ」と聞いてくる場合があるからです。この場合は、磁石やコイルをいじることはできず、磁石をすばやく動かすしか方法が無くなります。
誘導電流の向きを逆にするには
電磁誘導で生じる誘導電流の向きを逆にする方法は次の3つです。
- 棒磁石の極を逆向きにして動かす
- 棒磁石の動かし方を逆にする
- コイルの反対側から棒磁石を動かす
実際には、次のような形で出題されます。
[問題]棒磁石のN極を下にして、コイルの上から棒磁石を近づけた。このときコイルに接続している検流計の針が左に振れた。次の場合、検流計の針はどちらに振れるか。
- 棒磁石のN極を、コイルの上から遠ざける。
- 棒磁石のS極を、コイルの上から近づける。
- 棒磁石のS極を、コイルの上から遠ざける。
[解答] 1.右 2.右 3.左
磁石の極を逆にすれば、検流計の針は逆に振れるし、磁石の動かし方を逆にしても検流計の針は逆に振れます。次のように書き出せばわかりやすいかと思います。
- 問題文…「N・近・左」
- １ …「N・遠・右」
- ２ …「S・近・右」
- ３ …「S・遠・左」
発電機
この電磁誘導を応用したものが、発電機です。コイルと磁石があれば、電流をつくりだすことができる装置で、手回し発電機や自転車のライトなどが身近にある発電機ではないでしょうか。
発電機の内部には、磁石とコイルが入っており、これを回転するように動かすことで、電磁誘導が起こり電流が流れるという仕組みです。運動エネルギーを電気エネルギーに変換している装置だと言えます。
レンツの法則
レンツの法則が理解できれば、電磁誘導で誘導電流がどの向きに流れるかがわかるようになります。この法則は、ロシアの物理学者、ハインリヒ・レンツさんが発見した法則なので「レンツの法則」という名前が付けられています。
レンツの法則は、電磁誘導で誘導電流が流れる向きは、磁石の動きをさまたげるように誘導電流が流れるという法則です。わかりにくいので図で説明します。
電磁誘導での誘導電流の向き
- 棒磁石のN極を下にして、コイルの上端に近づける。
このとき青い線が棒磁石がつくっている磁界になります。 - コイルに棒磁石の動きをさまたげる（しりぞけ合う）向きに誘導電流が流れる。
コイルの上端がN極になるように（赤いコイルの磁界ができるように）誘導電流が流れる。
今度は、逆に棒磁石のN極を遠ざけてみます。
- 棒磁石のN極を下に向けたまま、コイルの上端から遠ざける。
このとき青い線が棒磁石がつくっている磁界になります。 - コイルに棒磁石の動きをさまたげる（引き合う）向きに誘導電流が流れる。
コイルの上端がS極になるように（赤いコイルの磁界ができるように）誘導電流が流れる。
レンツの法則の確認問題
下の図の１～４のように棒磁石を動かしたとき、コイルの点部を流れる電流はアとイのどちらか。記号で答えよ。
解答・解説
- イ
N極が近づく動きをさまたげるように、コイルの上端がN極になり、しりぞけ合うように誘導電流が流れる。 - ア
N極が遠ざかる動きをさまたげるように、コイルの上端がS極になり、引きつけるように誘導電流が流れる。 - ア
S極が近づく動きをさまたげるように、コイルの上端がS極になり、しりぞけ合うように誘導電流が流れる。 - イ
S極が遠ざかる動きをさまたげるように、コイルの上端がN極になり、引きつけるように誘導電流が流れる。
【対策問題】電磁誘導の練習問題
【問題❶】電磁誘導
下の図のように、検流計につないだコイルの上から、棒磁石のN極を下に向けてゆっくりと近づけたところ、検流計の針が左に振れた。これについて次の各問いに答えよ。
（1）コイルに棒磁石を近づけると、コイルの周りの磁界が変化し、コイルに電流が流れた。この現象を何というか。
（2）コイルに電流が流れたのは、コイルに何が生じたためか。
（3）このとき流れた電流を何というか。
（4）エネルギーの移り変わりで考えると、（1）の現象では何エネルギーが何エネルギーに変換されているか。
（5）コイルの上端側から棒磁石のS極を下にして、コイルから遠ざけると、検流計の針は右と左のどちら側に振れるか。
（6）上の図の装置で、同じ棒磁石をコイルの上から近づけると、検流計の針が右側に振れ、上図の場合よりも大きく振れた。この場合、棒磁石をどのように動かしたか。
（7）棒磁石のN極を下に向け、棒磁石をコイルの上端側からコイルの中心を通るように落下させた。このとき、検流計の針はどのように振れるか。
（8）上の図の装置を応用し、コイルと磁石を使って電流をとり出す装置を何というか。
（9）（8）の装置で得られる、周期的に大きさと向きが変わる電流を何というか。
【問題❷】レンツの法則
下の図ア～イのように、コイルに鉄心を入れコイルの導線を発光ダイオードに接続した。このコイルに棒磁石の極を変えて、近づけたり遠ざけたりすると、発光ダイオードが点灯した。これについて、次の各問いに答えなさい。
（1）この現象は、コイルの中の磁界が変化し電流が流れる現象である。この現象の名称と、このとき流れる電流の名称を答えよ。
（2）図のア～エのとき、発光ダイオードが点灯したものはどれか。すべて選び記号で答えよ。
（3）コイルに接続されている発光ダイオードを豆電球にとり換えて、図と同じように棒磁石を動かした場合、豆電球が点灯するものはどれか。すべて選び、記号で答えよ。ただし、豆電球が点灯するだけの十分な電流が流れたものとする。
（4）次の文は、この実験でコイルに電流が流れた現象をまとめたものである。（ ）に適する語句を答えよ。
【解答・解説】電磁誘導の練習問題
【解答❶】電磁誘導
（1）電磁誘導
コイルの周りの磁界が変化し、コイルに電流が流れる現象を電磁誘導といいます。
（2）電圧
コイルに電流が流れるのは、電磁誘導によりコイルに電圧が生じるためです。電圧は電流を流そうとする圧力でしたね。
（3）誘導電流
電磁誘導で流れる電流を誘導電流といいます。
（4）運動エネルギーが電気エネルギーに変換されている。
棒磁石が動いているので、始めのエネルギーは運動エネルギー。電流が流れたことから電気エネルギーに変換されたことがわかる。
・モーター…電気エネルギー→運動エネルギー
（5）左側
コイルの上端に、棒磁石のN極を近づけると検流計の針が左に振れていることから、棒磁石の極を逆にし、さらに動かす向きを逆にすると、検流計の針は逆の逆でもとと同じように振れます。電磁誘導では次のように、「極」と「動作」と「針の振れ方」を書き出しておくと便利です。
N遠ざける右 S遠ざける左
（6）S極を下に向け、コイルに素早く近づけた。
棒磁石をコイルの上側に近づけて、検流計の針が右に振れていることから、S極を近づけたことがわかる。また、針が大きく振れていることから、棒磁石を素早く近づけたことがわかる。
❷コイルの巻き数を増やす！
❸磁石の磁力を強くする！
（7）左に振れた後、右に振れる。
棒磁石のN極を下にして、コイルの上端側から落下させると、「コイルの上端にN極が近づく、コイルの下端側からS極が遠ざかる」ように落下します。コイルの上端と下端では誘導電流の流れる向きが逆になるので、
上端：N近づける左 N遠ざける右 S近づける右 S遠ざける左
下端：N近づける右 N遠ざける左 S近づける左 S遠ざける右
のように振れます。したがって、コイルは左に触れた後、すぐに右に振れます。
（8）発電機
電磁誘導の原理を利用して、連続して誘導電流をとり出せるようにした装置が発電機である。
電流が磁界から受ける力の利用→モーター
（9）交流（交流電流）
棒磁石を近づけたり、遠ざけたりすると、流れる電流の大きさや向きが周期的に変化する電流が得られます。この電流を交流電流といいます。家庭のコンセントから得られる電流も交流電流になっています。乾電池や光電池などから得られる電流は直流電流で、向きや大きさが変化しない電流になります。
・交流電流…大きさと向きが周期的に変化する電流。例）発電機、コンセント
【解答❷】レンツの法則
（1）現象：電磁誘導 電流：誘導電流
コイルのまわりの磁界が変化し、コイルに電流が流れる現象を電磁誘導、このとき流れる電流を誘導電流といいます。「導」の字を「動」と間違えないようにしましょう。
（2）ア、エ
電磁誘導では、棒磁石の動きをさまたげるように電流がながれます。アとウの場合、Ｎ極がコイルの左端から遠ざかっていくので、その動作をさまたげるように、コイルの左端がＳ極となる向きに誘導電流が流れます。イとエの場合、Ｓ極がコイルの左端から遠ざかっていくので、その動作をさまたげるように、コイルの左端がＮ極となる向きに誘導電流が流れます。発光ダイオードは＋端子から電流が流れ込んだ場合のみに点灯するので、これに該当するのはアとエになります。
（3）ア、イ、ウ、エ
豆電球は、発光ダイオードのように端子がありません。口金から電流が流れ込めば、電流の向きに関係なく点灯します。したがって、すべての場合で、豆電球が点灯します。
（4）①さまたげる ②Ｓ
レンツの法則の説明です。電磁誘導では、棒磁石の動きをさまたげる向きにコイルに誘導電流が流れます。アの場合、Ｎ極がコイルの左端から遠ざかっていくので、その動作をさまたげるように、コイルの左端がＳ極となる向きに誘導電流が流れます。
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