✅ この記事で解決できる悩み
- 「F=BILって何?どう使うの?」
- 「フレミング左手の法則が覚えられない…」
- 「平行導線間の力ってどっちが吸引?」
- 「モーターの原理を図でわかりやすく知りたい!」
目次
電磁力(ローレンツ力)とは?|磁界の中を流れる電流が受ける力
こんにちは!電験三種の「電磁力」、なんとなく難しそうに感じますよね。でも実は、磁石の近くで電線に電流を流すと、電線が動くというシンプルな現象を表す公式なんです。
この記事では、電験三種の理論科目で頻出の「F=BILの公式」を、中学生でも理解できるように、図を使って徹底解説します。
記事を読み終えるころには、フレミング左手の法則を完璧に覚え、平行導線間の力やモーターの原理まで自信を持って説明できるようになります!
📘 電磁力(ローレンツ力)とは?
電磁力(でんじりょく)とは、磁界の中に置かれた導体に電流を流したとき、導体が受ける力のことです。
たとえば、磁石のN極とS極の間に電線を置いて電流を流すと、電線がピクッと動きます。これが電磁力です。
この力は「ローレンツ力」とも呼ばれ、電験ではF=BILの公式で表されます。
🧮 F=BILの公式|各記号の意味
📐 電磁力の公式
F = B × I × L
| 記号 | 意味 | 単位 |
|---|---|---|
| F | 電磁力(でんじりょく) | N(ニュートン) |
| B | 磁束密度(じそくみつど) | T(テスラ) = Wb/m² |
| I | 電流(でんりゅう) | A(アンペア) |
| L | 導体の長さ | m(メートル) |
公式の意味は簡単です。磁界が強いほど(B↑)、電流が大きいほど(I↑)、導体が長いほど(L↑)、受ける力は大きくなるということです。
💡 具体例で理解しよう
たとえば、磁束密度B=0.5T(テスラ)の磁界の中に、長さL=0.2m(メートル)の導線を置いて、I=10A(アンペア)の電流を流したとします。
このとき、導線が受ける電磁力Fは?
【計算】
F = B × I × L
F = 0.5 × 10 × 0.2
F = 1 N(ニュートン)
答えは1N(ニュートン)です。つまり、導線は1Nの力で押されます。
⚠️ 試験でのポイント
- 単位をしっかり確認する(B→T、I→A、L→m)
- 導体と磁界が垂直に交わっていることが前提
- 公式を暗記するだけでなく、「なぜそうなるか?」を理解する
フレミング左手の法則|力の向きを一発で見抜く
さて、F=BILの公式で力の大きさは計算できました。でも、「力がどっち向きに働くか?」はどうやって判断すればいいでしょうか?
そこで登場するのが、フレミング左手の法則(Fleming's Left-Hand Rule)です。
✋ フレミング左手の法則とは?
フレミング左手の法則は、左手の3本の指を使って、電磁力の方向を覚える方法です。
| 指 | 記号 | 意味 | 覚え方 |
|---|---|---|---|
| 親指(おやゆび) | F | 力(Force)の方向 | 親は力持ち |
| 人差し指(ひとさしゆび) | B | 磁界(Magnetic field)の方向 | 人は磁石が好き |
| 中指(なかゆび) | I | 電流(Current)の方向 | 中は電流が流れる |
🧠 覚え方のコツ|「親は磁石で中電流」
電験受験生の間でよく使われる覚え方が、「親は磁石で中電流」です。
- 親(おや)指 → 力(F)
- 人(ひと)差し指 → 磁(じ)界(B)
- 中(なか)指 → 電(でん)流(I)
このゴロ合わせを覚えておけば、試験中に左手をそっと出して確認するだけで、力の方向を瞬時に判断できます!
🔁 使い方の3ステップ
ステップ①: 人差し指を磁界の方向(N→S)に向ける
ステップ②: 中指を電流の方向(+→−)に向ける
ステップ③: 親指が指す方向が、力(F)の方向!
これだけです!試験問題で図が出てきたら、すぐに左手を出して確認しましょう。
❌ よくある間違い
- 右手を使ってしまう(右手は「発電機の法則」用!)
- 指の対応を間違える(親=力、人=磁界、中=電流を徹底!)
- 電流の向きを逆にする(+→−の方向に注意)
平行導線間の力|吸引力と反発力の見分け方
次は、電磁力の応用として頻出の平行導線間に働く力を解説します。
2本の平行な導線に電流を流すと、導線同士が引き合ったり、反発したりします。これも電磁力の一種です。
🧲 電流の向きで力が変わる
| 電流の向き | 力の種類 | 覚え方 |
|---|---|---|
| 同じ方向 | 吸引力(引き合う) | 同じ方向=仲良し=引き寄せ合う |
| 逆方向 | 反発力(反発し合う) | 逆方向=ケンカ=押しのけ合う |
覚え方は簡単です。「同じ=仲良し=引き合う」「逆=ケンカ=反発」と覚えましょう!
🧮 平行導線間の力の公式
2本の平行導線に働く力(単位長さあたり)は、次の公式で表されます。
📐 平行導線間の力の公式
F = (μ₀ × I₁ × I₂ × L) / (2πd)
| 記号 | 意味 | 値/単位 |
|---|---|---|
| μ₀ | 真空の透磁率 | 4π×10⁻⁷ H/m |
| I₁、I₂ | 各導線に流れる電流 | A(アンペア) |
| L | 導線の長さ | m(メートル) |
| d | 導線間の距離 | m(メートル) |
この公式から、電流が大きいほど力は強く、距離が離れるほど力は弱くなることがわかります。
🔌 実際の応用例
- 送電線の振動対策: 送電線に大電流が流れると、隣の線と反発・吸引し合って揺れる
- 電流計(アンメータ)の原理: 導線間の力を利用して、針を動かす
- 磁気浮上列車(リニアモーターカー): 電流の向きを制御して、浮上・推進する
⚠️ 試験でのポイント
- 電流の向きを図でしっかり確認する
- 「同じ方向=吸引」「逆方向=反発」を確実に覚える
- μ₀の値は覚えなくても、問題文に書いてあることが多い
モーター原理への応用|F=BILが回転運動を生む
最後に、電磁力(F=BIL)の最も有名な応用例、モーター(電動機)の原理を解説します。
モーターは、電磁力を使って電気エネルギーを回転運動(機械エネルギー)に変換する装置です。
🔄 モーターの基本構造
モーターの基本構造は、次の3つで構成されています。
- 永久磁石(N極とS極): 磁界(B)を作る
- コイル(導線): 電流(I)を流す
- 整流子(ブラシ): 電流の向きを切り替える
コイルに電流を流すと、フレミング左手の法則により、コイルの片側は上向きの力、もう片側は下向きの力を受けます。
この力の向きが逆になることで、コイルが回転するのです!
⚙️ モーターが回り続ける理由
もしコイルがずっと同じ向きに電流を流していたら、90度回転したところで止まってしまいます。
そこで、整流子(せいりゅうし)という装置が、コイルの角度に合わせて電流の向きを自動的に切り替えます。
これにより、コイルは常に同じ方向に力を受け続け、連続して回転するのです。
🔁 モーター動作の3ステップ
ステップ①: コイルに電流を流す → F=BILで力が発生
ステップ②: 力の向きが逆になり、コイルが回転する
ステップ③: 整流子が電流の向きを切り替え、連続回転!
🌍 身の回りのモーター
モーターは私たちの生活のあらゆる場所で使われています。
- 扇風機・ドライヤー: 風を送るための回転
- 洗濯機: 洗濯槽を回転させる
- 電車: 車輪を回転させて走る
- ドローン: プロペラを回転させて飛ぶ
- ハードディスク: ディスクを高速回転させる
すべて、F=BILの電磁力によって動いているんです!
💡 発展知識
モーターと逆の原理を使うのが発電機です。発電機はコイルを回転させることで電流を発生させます。これは「フレミング右手の法則」で説明されます。左手と右手、セットで覚えましょう!
まとめ|電磁力(ローレンツ力)を完全マスターしよう!
お疲れさまでした!この記事では、電験三種・理論科目で超重要な電磁力(ローレンツ力)F=BILの公式から、フレミング左手の法則、平行導線間の力、モーター原理まで、図解を使ってわかりやすく解説しました。
📌 この記事の重要ポイント
- F=BIL: 磁界の中で電流が流れると力が発生する
- フレミング左手の法則: 親指=力、人差し指=磁界、中指=電流
- 平行導線間の力: 同じ方向=吸引、逆方向=反発
- モーター原理: F=BILで回転運動を生む、整流子が鍵
電磁力の公式は、覚えるだけでなく、イメージできるようになることが大切です。
試験本番では、フレミング左手の法則を使って力の向きを素早く判断できるよう、繰り返し練習しましょう!
📖 次に読むべき関連記事
電磁力を理解したら、次はこちらの記事もおすすめです!
この記事があなたの電験三種合格の助けになれば嬉しいです。最後まで読んでいただき、ありがとうございました!
🎯 次のアクション
- 過去問で「電磁力」の問題を3問以上解いてみる
- フレミング左手の法則を、図を見ずに再現できるか確認
- モーターの原理を、誰かに説明してみる(アウトプット最強!)