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中学理科のコイル・磁界の問題について
電磁誘導の問題で質問させていただきます。 下記の問題で、「3. 図のようにコイルに棒磁石のN 極を近づけたところ検流計の針が右に振れた 」の問題です。 http://science.005net.com/mondai/denji.php 設問は、「・・・右に触れた」の問題文より、逆を考えればいいので解答はわかるのですが、「N 極を近づけた」=>「検流計の針が右」というのは、なぜこうなるのでしょうか?
- festival-t
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右ネジの法則で考えればいいんですね。 もし、右ネジの回る向きと進む向きを忘れやすければ、右手の親指だけを立てて、残る4本の指を握った拳でもいいです(「グッジョブ!」みたいな感じの右手)。 親指が電流の向きとすれば、残る4本の指先の方向への磁界の向きですし、4本指をコイルに見立てて、指先の方向に電流が流れるとすれば、親指の方向に磁界が発生します(親指の先がN極と考えてOK)。 コイルに対して磁石が動くと、磁界が変化し、コイルにはその磁界の変化を妨げるように電流が流れます。永久磁石のN極が近づいて来れば、コイルに電流が流れるのですが、永久磁石が近づくのを妨げるような電磁石となります。 「コイルに棒磁石のN 極を近づけたところ検流計の針が右に振れた」わけですが、このときは棒磁石のN極に対してN極で反発するような電磁石となります。その図なら、コイルの上がN極になります。 おそらくは素直に右ネジの法則で考えて、検流計の右の端子から左の端子に流れる電流のはずですが、図は回路図となっていないので、そこまで判断していいかどうかの保証はありません。 ともかく、コイルの上がN極(そして下がS極)となる電流の流れは「検流計の針が右に振れる」となるわけです。 そうなると、棒磁石のN極を遠ざけていくと、コイルはそれを妨げるようにS極が上の電磁石となり「検流計の針が左に振れる」し、棒磁石のS極を近づければ、コイルは上がS極の電磁石で「検流計の針が左に振れる」、棒磁石のS極を遠ざけていくと、コイルは上がN極の電磁石で「検流計の針が左に振れる」ことになります。 コイルのほうを棒磁石に近づけたり、遠ざけても同じですし、二つとも動かしても同じです。必ず動きを妨げるように、コイルには電流が流れます。 棒磁石もコイルも動かしていないときは、コイルに電流は流れません。何の変化も起こっていないため、何かを妨げるような現象が起こらないのです。
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- ORUKA1951
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この問題自体はN極とS極が反対の性質を持っているので N極を近づける←(反対)→N極を遠ざける ↑ ↑ (反対) (反対) ↓ ↓ S極を近づける←(反対)→S極を遠ざける で答え自体は出てきます。 先に「中学理科「電磁誘導」のこの解釈について - 物理学 - 教えて!goo( http://okwave.jp/qa/q7928183.html )」のNo.3で説明した文章を完璧に理解してください。 たったひとつ「右ネジの法則」--コイルと磁力のほうではなく、電荷が移動すると発生する磁場のほうですよ!!!・・これが唯一の原理です。それ以外のフレミングの左右も、レンツも、コイルの右ネジもその結果なのです。 (図) N磁石の磁力線は、電線に対して(左上)の関係です。 磁石を近づけると言うことは、相対的には電線が上に移動することになります。(右上) 導体は内部に自由に移動する電荷があります。 電荷が移動するとその周囲に磁界が発生します(左下) ・・・!!!右ネジの法則・・・ 磁力線の向きが同じだと反発し、逆向きだと引き合います。そのため電荷は矢印の方向に力を受けます。(下中央) 結果的にコイルに左回りの電流が発生します。 このことから、最初の設問の電流計の端子の色や目盛りまで想定できるのですよ。 ★これは問題には関係ありません。こんなこと知らなくても最初に述べたように答えは出ます。 とにかく、電界と磁界の相互作用の定性的な部分は、 ⇒中学理科「電磁誘導」のこの解釈について - 物理学 - 教えて!goo( http://okwave.jp/qa/q7928183.html ) のNo.3ひとつ覚えておけば、すべて同じ原理で説明できるはずです。 ちなみに、電流は一瞬にして導体の橋から端まで(その物質内の光速)で伝わりますが、電子は遅々とした歩みです。1mmの電線に1A流したって電子はナメクジの速さ程度で移動しています。だから、磁石を出しいれする遅い移動でも電流として検出できる。 ホモポールモーターがなぜか移転するかも、右ネジの法則ひとつ知っていれば説明できますね。
お礼、ありがとうございます。#2です。 >棒磁石を近づけるを通り越し、四角の部分の中を通過させているときは、棒磁石のNとSが切り替わる部分で、電流の向きも変わるということでしょうか? 厳密な実験をすれば、そのような現象が確認できるはずです。棒磁石の真ん中まではN極が入り込む現象のほうが優勢で、真ん中を過ぎてからはS極が離れていく現象のほうが優勢になります。それを妨げるようにコイルには電流が流れるので、棒磁石の真ん中の磁力がなくなる位置で、コイルに流れる電流の向きが変わります。 ただ、棒磁石と呼ばれるほどに長いと、磁石の側面での磁界は棒磁石にほぼ平行な感じになります。 そのため、棒磁石の先端が図にあるような平たいコイルを通り抜けると、磁界があまり変化しないために、それを妨げるような電流は少なくなり、検出しづらくなります。 棒磁石の反対側が抜け出ようとすることになると、またはっきりと電流が検出できるようになります。 もしコイルが棒磁石より長いとか、棒磁石が非常に短くて平板磁石のようだと、仰る現象は検出しやすいでしょう。
お礼
ありがとうございました。
- mandegansu
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マックスウエルの方程式(2)▽×E=ー∂B/∂tで解けます。 ∂B/∂tは下向きのベクトルなのでー∂B/∂t(=▽×E)は上向きのベクトルです。 従ってEは上(磁石)から見て時計周りの回転(右)になります。
N極を近づけると、コイルの先端はS極になろうとしますので、検流計の様になります。
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