電磁誘導：コイルの巻き方が異なる時の電気の流れ方について

質問

こんばんは。いつもお世話になっております。中学２年生の理科の授業で習う「電磁誘導」についてお尋ねします。

　コイルに棒磁石を近づけたり遠ざけたりすると電磁誘導が生じ、コイルには誘導電流が流れます。この場合の電流の流れる向きは、よく言われるように「右手の人差し指から小指まではコイルをつかむように曲げ、親指を伸ばした方向に磁界が発生する」と考えられています。

　お尋ねしたいのは、コイルの巻き方が右巻きと左巻きの時では磁界や電流の向きは異なるかどうかという点です。異なるとすれば、右手の５本の指はどのように使えば正しく理解することができるでしょうか。「りかちゃんのサブノート」で学習しているのですが、今ひとつこのＨＰの説明では理解できません。どなたか分かりやすく教えてください。

　どうぞよろしくお願いします。

回答No.2

atom1

右手の腕から手のひらの指の方向を、必ず、コイルの電流の方向に合わせて丸めると言うことです。

　君の言うとおり、迷いますよね。説明者だけが分かって書くからです。色々な考えをする人の立場になって迷った経験がない人が書くからです。

　私の説明は、その曖昧でない、割り切れる説明をするため（これをモットーにしていますから）、図入りで説明しますが。
　このページは図をかけませんので、説明が長くなります。
しかし一度●「実感して理解してしまうと」、生涯忘れません。物理が電気が面白くなります。
　●理解したといえるのは、実感して記憶した状態を言います。

　そのために物理・化学・技術、・・の先生は、必ず実験して暗記するための説明文を紹介します。
　この自然現象の暗記文はすべて、先輩の科学者が、見つけた暗記すべき説明文で、法則と言うことが多いのです。
　先生も先に生まれて、先に、説明文通りに実行すると、必ず同じ現象を起こせるし、同じものを作れる。と言うことを理屈なしに実感して記憶するため、実験をして説明文を実感し、暗記して卒業し、君たち生徒に同じように実験または実習をして実感し、暗記文を記憶させているだけです。

　だから、理科、科学（物理の力学と電気の中に化学も・・、色々な工学、医学、生物、無生物、環境学、病気、健康がすべて入ります）は実験実習がつきものです。
　君は、物理が好きなように感じましたので、一言多くなりました。ついでにもう一つ。
　物質すべて原子でできています。原子の正体は、電気の粒子です。原子の水素、酸素、金、銅、ラジウッム、ウラニウム・・よいう名前は、電気的性質の違いにつけた名前です。これを知っていると、曖昧でなく現在の科学に出てくる自然現象をすべて理解できます。

本題に入ります。

　●いまＰ点からＱ点まで一直線になった３０ｃｍの銅線に、Ｐ点（＋極）から電流をＱ点（－極）に流すと、右ねじの法則（理屈なしの暗記説明文のこと）で、電流の回りの空間に、透明な右回りの磁力線が同心円状に充満した磁界ができます。
　★参考（磁石を動かす力の空間のことを磁界と言います。電気工学では世界の界を使って磁界と訳し、物理学の人たちは、場所の場を使って磁場と訳して使います。その英語は、エレクトリック・フィールド、直訳すると電気の原っぱ）

　●このＰＱ電線を円形にして同じ強さの電流を流すと、上記の磁力線は円形リングに中に束ねられ密集した状態になるでしょう。
　磁力線が密集するほど（密度が濃いほど）その空間の磁界が強い、磁石を動かす力が強い、磁力が強い空間と言う事実が有ります。
　これから磁力線の密度で磁界の強さを表現するように習うはずです。

　●ＰＱ電線を２段巻きのコイル、さらに３重巻き、３０回まきコイルにし円形を狭くすると、同じ電流でコイルに中を突き抜ける磁力線がますます密集し磁界が強まることが想像できます。

　●コイルの電流に沿って、私たちの体をよじって右ねじの法則を当てはめ、コイルの中の磁界の方向（磁力線の方向）を判定するのは面倒くさいです。もっと簡単に暗記する方法違法はないものかと、考え付いたのが、右手の手のひらと指先を、コイルの電流の方向に沿って丸めてあわせ、そのときの親指の方向で、コイルの中を突き抜ける磁力線＝磁界の方向を判定する手段だったのです。

　まとめ
　●余計なことをたくさん話しましたが、
右巻き左巻きと電流の方向、とコイルの中の磁界の方向について、まとめましょう。

　トイレットペーパーのボール紙の１１ｃｍの芯の筒の中央からＰＱの絶縁電線を右巻きに最初下に向かって巻いていき途中から折り返して筒の上端に向かってまいて行きまた下に向かって中央のＰ点のところまでまいてＱとし、電流を流しても、最初にＰ点から流れる電流の方向に、右手の手の平を丸めさえすると、親指の方向がコイル内の磁界になります。

　Ｐ点から左巻きにして電流を流すと、あとは筒に上下にまいても中央に２０巻きや３０巻きにしても、最初Ｐ点（＋極）から流れ出す電流方向に
　右手の手のひらを合わせさえするよいわけです。
この場合、右巻きに電流を流した場合と磁界の方向は反対になります。

●●●但し、次の頭の柔軟さが大切
左巻きにしても、反対のＱ点から電流を流すと右巻き電流になりますから、Ｐ点から右巻きして電流を流したのと同じ磁界の方向になります。

　以上の結果、
　コイルの右巻き、左巻きにこだわらず、巻き線を流れる方向に右手の手のひらを丸めさえすると、親指の方向がコイルの中の磁界の方向になる。です。
コイルの外の両わきは磁界の方向は反対になり磁力線は空間に広がり、密度が薄いので磁界が弱い。

　電磁誘導の場合、コイルに流れる電流の発生方向を判定するには、電磁誘導の法則、つまりレンツと言う物理学者が、見つけた暗記説明文にしたがって判定します（ノーベル賞博士、学校の先生、君も皆このレンツの法則を覚えて判定します）。

　このとき★★「上で」長々と説明した最後の結論、★円形コイルの右巻き左巻きは考えず、指輪のリング、または１回巻きのコイル、またはぐるぐる３０巻きしたコイルの電流の方向に合わせて右手の手のひらを丸めた時、親指の示す方向が発生している磁力線の方向（磁界の方向）になる、と記憶しておく基本にかわりは有りません（これがノーベル賞博士も同じなのですから）。

　レンツ氏の法則
　コイルまたはリングに棒磁石を近づけたり遠ざけてリして、リングを突きぬける磁力線の本数（棒磁石から放出する磁界）を増やしたり減らしたりして変化させると、自然を作った神様は、変化するのを好まず、同じ状態に現状維持しようして動作するのだと考えたようです。
　その結果の言い当てた暗記説明文は次のとおりです。
　コイルやリングに発生する（誘発する、誘導する）電流は、コイルを突き抜ける（正確には知恵の輪のように交差する）磁力線（または磁界）の本数を変化をさせまいとして妨げるように動作する。と覚えると良いという法則です。

　●この法則を具体的に説明すると次のようになります。
　君が棒磁石を近づけて、コイル内に交差する磁力線の本数を強制的に０から１０本に増加さえると、その瞬間、侵入した１０本の磁力線を瞬間的に打ち消すべく、右手を丸めた親指をの方向を侵入磁力線と反対向きに合わせ、その方向１０本分の磁力線を発生させる電流を（神様が）コイルに流して打ち消す行動に出る。
という覚え方をすると、いつの場合でも自然現象にあった電磁誘導の大きさを計算し設計もできるとい言うありがたい法則です。

　逆にコイルに交差していた棒磁石の磁力線の本数が１００本であった状態を、棒磁石を遠ざけて1/１００病間に５０本減らした場合、減らすまいとして減る前の元の方磁力線の方向に右手を丸めた親指方向に合わせた方向に５０本分磁力線が発生するようにコイルに電流が流れる。と言う右手の当てはめ方をすると良いのです。当然増加するときと反対のコイル電流が流れます。
　増加と減少では、コイル内に誘導される、電圧電流方向は、反対になります。からコイル内に交流を発生させることができます。
　このレンツの法則を応用した１例が電圧を上下させる変電所のトランスです。

　右手を当てはめてコイルの誘導電圧電流の方向を判定したら、巻き線に沿ってまき方向をたどって見ると、右巻きに巻いてあったか、左巻きに巻いてあったか分かります。コイルの巻き線に発生する電圧の＋－の端子も判定できます。
　電磁誘導の場合は交流が多いので、コイルに電流を流して、電磁石を作る時ほど、大して重要ではないですけれど。

　放送局のラジオＴＶ放送の送受信から、ロボット飛行機の遠隔操作と攻撃、携帯電話、病院のＭＲＩ・・すべて電磁誘導です。

　君はこのページで電磁誘導の９０％理解してしまったわけです。残りは時間の都合で省略しますが、変化する時間的変化量が大きいほど誘導電圧電流が大きくなる自然現象があることです。

お礼

ありがとうございました。分かりやすいお答えに感謝します。

回答No.1

久保 泰臣（@omi3_）

電源のプラスとマイナスを接続する端子を選べば、
コイルの巻き方によらず、
コイルに流れる電流を、右巻き／左巻き方向に変えられますよね。

机の上に立てて、左巻き方向に電流が流れたら、
机の上の方向に、磁界が発生します。

お礼

ありがとうございます。