中学理科で磁界について学びます。この磁界を学習する過程で「コイル」がよく登場します。
コイルはモーターなどに用いられていますが、コイルがどういう働きをするのか普段の生活で意識することは少ないでしょう。
そこで、中学理科の授業でコイルの働きについて理論的に学びます。
このページではコイルの働きについて分かりやすく丁寧に解説します。中学理科の学習、高校入試への対策に役立ててください。
中学理科で学習するコイルとは
「コイル」とはぐるぐるまきにした導線のことです。
導線を巻いたからといってどうなるんだ、と思うかもしれません。しかし、コイルは磁界と関係づけられると不思議な現象を引き起こします。
中学理科では「コイルを流れる電流が作る磁界」と「モーターの仕組み」について理解を深めることが大切です。
都立入試に出題されたコイル
まず、高校入試でコイルがどのように取り上げられているか調べてみましょう。都立入試を例にとってみます。
過去5年で3回の出題がありました
都立入試理科の過去5年間を振り返ってみると、コイルに関して3回の出題がありました。
- 令和3年⑥コイルを流れる電流が作る磁界、モーター
- 平成31年①問3コイルに電流を流したときに生じる磁界
- 平成30年⑥コイルを流れる電流が作る磁界
このように頻出ですから、コイルについてしっかり学んでおかないといけません。
コイルは磁界との関連で出題される
コイルの問題の特徴として、必ず磁界との関連で出題されるという点が挙げられます。
それを念頭において学習を進めましょう。
コイルに関して押さえておくべきこと
コイルに関して中学理科で押さえておくべきことは「コイルに流れる電流が作る磁界」と「モーターの仕組み」です。
以下、順を追って説明します。
コイルを流れる電流が作る磁界
導線を巻いただけのコイルですが、コイルに電流を流すと不思議な現象が観察されます。
コイルに電流を流してそのそばに方位磁針を置くと、針が振れるのです。このことからコイルに電流を流すと磁界が生じるということが分かります。
このときどのような磁界ができるのかを理解することが中学理科で求められることです。
コイルに流れる電流が作る磁界は右ネジの法則で決まります。右ネジだとやや難しいのでここでは「右手の法則」とします。
電流が流れるコイルのそばに方位磁針をおいて、そのN極が指す向きを結んで磁力線を描くと、次のようになります。
この磁力線の様子を右手の法則から導いて見ましょう。
右手の親指を立てて4本指を握ります。コイルに流れる電流の向きと4本指の向きを合わせると、親指の指す向きが磁界の向きです。先の図と同じになりましたね。
このように、コイルを流れる電流が作る磁界を右手の法則から正しく求められることが大切です。
モーターの仕組み
コイルにまつわる現象として、ある磁界においてコイルに電流を流すとコイルが回転するというものがあります。
これを利用したものが「モーター」です。
中学理科でモーターの仕組みについて学びます。そこでは、モーターの構造、コイルはどうして回転するのか、整流子の働きなどを理解していなくてはいけません。
以下、順を追って分かりやすく説明します。
モーターの構造
モーターは、コイル・磁石・整流子からできています。下図のようです。
磁石のN極とS極、コイルABCDは分かりますね。2つの半円柱状のモノが整流子です。整流子に接して電気を伝える部分はブラシと呼ばれます。
それぞれがどのような役割を果たすのか続いて説明します。
コイルに電流を流すと
まず、A→B→C→Dの向きに電流が流れます。すると、コイル（電流）は磁石が作った磁界から力を受けます。
力の向きはフレミングの左手の法則で決まります。参考までにフレミングの左手の法則を表した図を掲載しておきます。
図のように導線ABは下向きの力、導線CDは上向きの力を受けます。この力はコイルを回転させるように作用します。整流子の側から見て反時計回りの向きですね。
このように磁界中でコイルに電流を流すとコイルは回転します。
整流子のはたらき
コイルは回転するのですが、ここで問題が生じます。
最初の状態からコイルが180度回転したとしましょう。
するとコイルに流れる電流の向きはA→B→C→Dの向きですから、働く力は下図のようになり、先程とは逆に回転するようになってしまうのです。
モーターは一定方向に回転してくれなくては困りますね。この問題を解決するのが整流子です。
整流子は半円柱状で、半回転するとブラシとの接点が逆の関係になります。
ですから、コイルが半回転したとき、電流はD→C→B→Aの向きに流れるようになり、力は継続的に一定方向に回転するように働きます。
整流子はモーターの回転方向を一定にさせる働きをしていることを覚えておきましょう。
実際にどのような問題が出題されるのか？
コイルがどのように出題されるか見ておきましょう。
（例題）
コイルに電流を流すと図の向きに方位磁針の針が振れた（ただし黒く塗りつぶしている方がN極。
このときコイルに流れた電流の向きと磁力線の様子を正しく表しているものを図ア〜エから選べ。
（解説）
N極が指す向きが磁界の向きですね。磁界の向きを正しく表しているのはアとイ。その磁界の向きに右ネジの法則を適用すると電流の向きはアが正しいです。
正解はアです。
図から正しく状況を把握し、右ネジの法則を正しく運用できることがポイントです。
コイルの勉強方法について
中学理科、高校入試理科のコイルの勉強法について述べます。
まず、コイルは必ず磁界と関係して出題されることを押さえてください。その上で以下の3点に注意して勉強しましょう。
- コイルが作る磁界の磁力線をすぐ描けるようにする
- モーターの仕組みを理解する
- コイルの図が読める、なおかつ、図を描けるようにしておく
コイルが作る磁界の磁力線をすぐ描けるようにする
コイルと電流の向きの図からすぐ磁力線を描けるようにしましょう。そのためには右ネジの法則を正しく理解しておく必要があります。
また逆に、コイルの周りで振れた磁石の向き（磁界の向き）からコイルに流れている電流の向きを判断できるようにもしておきましょう。
モーターの仕組みを理解する
モーターは磁界の中でコイルに電流を流すことによって回転します。
そのため電流の向きと磁界の向きから、フレミングの左手の法則を用いてモーターがどちら向きに回転するのか判断できるようにしておきましょう。
また、整流子は回転の向きを一定にするために設けられていることも言えなくてはいけません。
コイルの図が読める、なおかつ、図を描けるようにしておく
コイルの図を見たら、すぐに電流の向き、磁界の向きに意識が向けるようにしておかないといけません。
図が読め、なおかつ、図を描けるようにしておきましょう。
まとめ
ここまでコイルについて学んできました。最後にまとめます。
- コイルとはぐるぐる巻きの導線のこと
- コイルを流れる電流がどのような磁界を作るかを理解する。そのためには右ネジの法則を用いる
- モーターの仕組みを理解する
- モーターは磁石・コイル・整流子からなる
- 整流子はコイルを一定方向に回転させるために設けられている
入試におけるコイルの問題は必ず磁界と関係づけて出題されます。その点に留意して学習を進めましょう。
また、入試問題は図を見て解けという形式です。図から、コイルが作る磁界の向きやモーターが回転する向きを判断できるようにしておきましょう。
以上、コイルに関する解説でした。しっかり学んでライバルに差をつけましょう！
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監修者｜橋本拓磨
東京大学法学部を卒業。在学時から学習塾STRUXの立ち上げに関わり、教務主任として塾のカリキュラム開発を担当してきた。現在は塾長として学習塾STRUX・学習塾SUNゼミの運営を行っている。勉強を頑張っている学生に受験を通して成功体験を得て欲しいという思いから勉強効率や勉強法などを届けるWEBメディアの監修を務めている。
