電磁力

【電験三種 独学講座〜理論編〜】2-3. 電磁力

2-3.電磁力

続いて電磁力について学習していきましょう。

フレミングの左手の法則

磁界と電流の講座で、電流が流れると磁界が発生することを学びました。永久磁石などによりすでに磁界が存在する場に、電流が流れると、電磁力という力が発生します。このことをローレンツ力とも言います。磁界と電流、電磁力は、それぞれ発生する向きが決まっており、それをとてもわかりやすく覚える方法があります。左手の中指、人差し指、親指にそれぞれ「電」「磁」「力」と名付け、下記の画像のようなポーズをとってみてください。中学校でも習う有名な法則ですが、これが有名なフレミングの左手の法則です。これを用いることで、どの向きに電磁力が働くか一目で分かるようになります。

フレミングの左手の法則の図

電磁力が発生する仕組み

磁界の中に電流を流すとなぜ力が発生するのでしょうか。それは、電流が出す磁界とすでに存在する磁界が増幅し合ったり打ち消し合ったりするためです。これにより、電流(電線)を境に左右の磁場に磁力の差が発生します。自然界は変化を嫌うので、磁力の差を元に戻そうとする力が働きます。これが電磁力の正体となります。(図はわかりやすく可視化しています。実際は磁力線はもっと歪みます。)
この、「自然界は変化を嫌う(元に戻そうとする)」という考え方は物理という学問を考えるときにとても大切な考え方になります。

電磁力の仕組み

磁場から受ける力の大きさ

磁場に電流が流れると電磁力が発生することを学びました。ではその電磁力の大きさを求める方法を見ていきましょう。電磁力F[N]は、電流I[A]、磁束密度B[N/A•m]、導線の長さL[m]にそれぞれ比例します。また、一様な磁界に対して斜めに導線が走っている場合は、磁界に対して垂直に当たる部分だけで計算する必要があり、下図のようにsinθを加えて考えます。あくまで磁界と垂直な成分だけが影響してくるため、仮に導線が磁界の向きと平行に設置されていた場合、電磁力はsin0°=0となり、電磁力は全く発生しないということになります。逆に、磁界に垂直に置かれていた場合は、sin90°=1となり、導線の長さ全てが電磁力に影響するという事になります。

$$F=IBLsinθ$$

導線が斜めになる場合

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