【中学2年理科】電磁誘導のポイントと問題演習

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中学2年理科。今日は「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。

電磁誘導

次の(  )内に語句を入れれるようにしておきましょう。

「コイルのまわりの( ア )が変化することで、コイルに( イ )が生じ、( ウ )電流が流れる現象を( エ )という。」

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。

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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。電磁誘導

  1. 棒磁石のN極を、コイルの上から遠ざける。
  2. 棒磁石のS極を、コイルの上から近づける。
  3. 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

レンツの法則1

  1. 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。
  2. 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。

レンツの法則2

  1. 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。
  2. 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

[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。

レンツの法則3

解答・解説


  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

直流と交流

直流(直流電流)とは、一定の方向に一定の大きさで流れる電流のことです。これまで回路と電流で学習してきた電流は、みんなこの電流のことを指しています。

電流は電源の+極から-極に向かって一定の大きさで流れます。乾電池光電池などから得られる電流になります。コンピューターで直流電流を調べると、下の図のような電流になります。

直流電流

交流(交流電流)とは、周期的に流れる電流の向きと大きさが変化する電流です。家庭のコンセントから得られる電流はこの交流電流になっています。

また、電磁誘導で学習した発電機から得られる電流も、この交流電流になります。交流電流は周期的に電流の向きと大きさが変化するので、とても使いやすい電流です。家庭に送られる電流が交流であるのはこのためです。

交流電流

周波数

交流電流をコンピューターに通して調べてみると、上の図のような波形が得られます。1秒間のこの波の数を周波数といいます。周波数の単位はHzです。

この周波数は、地域によって異なります。東日本の場合、周波数は50Hzで、西日本の場合は周波数は60Hzとなっています。

発光ダイオードを使った実験

直流と交流の単元では、発光ダイオードを使った実験がよく出題されます。発光ダイオードは豆電球と違って、+端子と-端子がある豆電球のようなものです。豆電球では電流の流れる向きに関係なく光りますが、発光ダイオードの場合、+端子から-端子に向かって電流が流れたときだけ、発光ダイオードが光るという性質を持っています。

発光ダイオードの+端子と+極、-端子と−極を接続したものと、+端子と−極、-端子と+極を接続したものを準備します。その装置に直流電流と交流電流を流してみると次のようになります。

直流と交流

  • 直流…発光ダイオードの片方のみが光り続ける
  • 交流…2つの発光ダイオードが交互に点滅する

この実験からも、直流は一定方向にしか電流が流れないことがわかり、交流は流れる電流の向きが変化していることがわかります。

直流と交流の確認問題

  1. 一定の向きに一定の大きさで流れる電流を何というか。
  2. 周期的に向きと大きさが変化する電流を何というか。
  3. 次の中から1の電流が流れているのもを選べ。
    ア 発電機  イ 家庭のコンセント  ウ 乾電池
  4. 西日本の周波数は何か。単位をつけて答えよ。

解答

  1. 直流(直流電流)
  2. 交流(交流電流)
  3. 60Hz

【練習問題❶】電磁誘導

問題下の図のように、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。

電磁誘導

(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。

【解答・解説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。

電磁誘導コイルのまわりの磁界が変化することで、コイルに電圧が生じ誘導電流が流れる現象!

(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。

エネルギーの移り変わり!電磁誘導(発電機)…運動エネルギー→電気エネルギー
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。

誘導電流の流れる向き!N近づける左  S近づける右
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。

誘導電流を大きくする方法!❶棒磁石を素早く動かす。
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。

電磁誘導を利用した道具電磁誘導の利用→発電機
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。

直流と交流直流電流…大きさと向きが変化しない電流。例)電池
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

【練習問題❷】レンツの法則

問題下の図ア~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。

レンツの法則

(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。

棒磁石を動かす動作を( ① )ように、コイルに電流が流れることがわかった。図のアの場合、コイルの左端が( ② )極になるようにコイルに電流が流れた。

【解答・解説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 

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。

【練習問題❸】直流と交流

問題下の図のように、直流電源装置と、スイッチ、発光ダイオードを使って回路を組み立てた。これについて、次の各問いに答えよ。

直流電流と交流電流

(1)図の装置で、発光ダイオードが光るのは、AとBのどちらか。記号で答えよ。

(2)図の装置に使われているのは直流電源装置である。直流電流とはどのような電流か。「向き」と「大きさ」という語句を使って簡潔に説明せよ。

(3)次に、電源装置を外し、かわりに手回し発電機を接続し、発電機のハンドルを回した。このとき、発光ダイオードAとBはどのように光るか。簡潔に説明せよ。

(4)この実験から、電流には2通りの電流があることがわかる。直流電源装置のような直流電流と、手回し発電機のような交流電流を表したものとして正しいものを、それぞれ、下のア~イから選び、記号を答えよ。

直流と交流

【解答・解説❸】直流と交流

(1)発光ダイオードB

発光ダイオードは、+端子が電源装置の+極側に、-端子が電源装置の-極側に接続されている場合に光ります。したがって、発光ダイオードBが点灯します。

(2)電流の流れる向きと大きさが変化しない電流。

乾電池や直流電源装置から流れている電流は、直流電流といわれます。電源の+極から-極に向かって一定の大きさで流れる電流です。

(3)交互に点滅する。

手回し発電機のような発電機から得られる電流は、交流電流になります。交流電流は、周期的に流れる電流の向きと大きさが変化する電流で、発電機や家庭のコンセントから得られる電流も交流電流となっています。図の装置では、発光ダイオードAとBが端子が逆になるように接続されているので、発光ダイオードAが光っているときには、発光ダイオードBは点灯しておらず、逆に、発光ダイオードBが点灯しているときには、発光ダイオードAが点灯していない状態になります。したがって、交互に点灯をくり返すように発光ダイオードが光ります。

(4)直流電流: 交流電流:

同じ向きに一定の大きさで流れる電流が直流電流で、図のアのかたちになります。一方の交流電流は、周期的に電流の流れる向きと大きさが変化する電流で、図のイのかたちになります。

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