電気と磁気

物理の「電界と電位」では、電気を帯びた物のまわりにできる電界と、電気の世界の「高さ」にあたる電位を学びます。電流は、電位の高い所から低い所へ流れます。2 点の間の電位の差が、電圧です。

電線に止まった鳥が感電しないのは、両足が同じ 1 本の電線に乗っているからです。両足の間の電位の差はほぼ 0 なので、鳥の体にはほとんど電流が流れません。反対に、電線と地面、または 2 本の電線に同時に触れると、大きな電位の差がかかって体に電流が流れます。切れて垂れ下がった電線に近づいてはいけないのは、このためです。

学習指導要領の解説は、電位の学習とあわせて、家庭用電気製品の接地(アース)や避雷針の役割に触れることを例に挙げています。洗濯機などのアース線は、製品からもれた電気を、人の体ではなく地面へ逃がすための通り道です。

スマートフォンの画面にも、物理の「電気容量」の考え方が生きています。タッチパネルに広く使われる静電容量方式では、画面の下に透明な電極が並んでいます。指が近づくと、電極にたまる電気の量(静電容量)がわずかに変わり、その変化から触れた場所を読み取ります。コンデンサーと同じ考え方です。

電気と磁気がつながっていることが分かったのは、1820 年のことです。デンマークの物理学者エルステッドは、導線に電流を流すと、近くの方位磁針の針が動くことに気づきました。講義で実験を見せていたときの、偶然の発見だったと伝えられています。

物理の「電流による磁界」では、まっすぐな導線、円形の導線、コイルのまわりにできる磁界の向きと強さを学びます。電流の向きと磁界の向きの関係は、ねじを回す向きと進む向きにたとえて覚えます(右ねじの法則)。

続く「電流が磁界から受ける力」では、磁界の中を流れる電流が力を受けることを学びます。モーターは、この力でコイルを回し続けるしくみです。スピーカーも同じ力を使います。磁石のそばのコイルに音の信号の電流を流すと、コイルと振動板が細かく前後に動き、空気を震わせて音になります。

力の向きは、電流・磁界・力の向きを左手の 3 本の指に当てはめる「フレミングの左手の法則」などで確かめます。この決まりを使うと、モーターが回る向きや、スピーカーの振動板が押される向きを、作る前に予想できます。

物理の「電磁誘導」では、コイルを貫く磁界が変わると、コイルに電圧が生まれることを学びます。2 つのコイルを近づけ、一方の電流を変えると、もう一方に電流が流れる現象は、相互誘導と呼ばれます。

IH 調理器の IH は、電磁誘導加熱を表す英語の頭文字です。三菱電機の解説によると、天板の下のコイルに電流を流すと磁力線が生じ、それが金属の鍋を通るときに、鍋の底に渦電流が流れます。この電流と鍋の電気抵抗で、鍋そのものが発熱します。電気を通さない土鍋やガラスの器には渦電流が流れないので、そのままでは温まりません。

置くだけで充電できるスマートフォンのワイヤレス充電も、相互誘導の応用です。充電台のコイルに交流を流すと、向きが入れかわる磁界がスマートフォンの中のコイルを貫き、電磁誘導で電流が生まれます。コイルどうしが離れると磁界が届きにくくなるので、充電台の決まった位置に置いて使います。

発電所の発電機も、電磁誘導で交流をつくります。家に届く交流は、東日本では 1 秒間に 50 往復(50 Hz)、西日本では 60 往復(60 Hz)の変化をくり返します。日本原子力研究開発機構の解説によると、この違いは明治時代にさかのぼります。電気事業が始まったころ、東京はドイツ製の 50 Hz の発電機を、大阪はアメリカ製の 60 Hz の発電機を採用しました。今も静岡県の富士川を境に、周波数が分かれています。