2011-10-28

シリーズ 超極小『素粒子』の世界8 ~「電磁力(電磁波)」って何? ②~

こんちは~~~ Ka-Syunです。
四つの力の内、これまで取り扱った「強い力・弱い力・重力って何?」に引き続き、「電磁力(電磁波)って何?」に迫って行きたいと思います。
電磁力の内、前回は、【電気力】をお話させて頂いたので、今回は【磁力】です。【磁力】というコトバですぐに思い浮かぶのは、そうです。磁石です。
まずは、磁石の話から進めたいと思います。
●磁石と磁場、磁界
磁石の引き付けたり、反発する性質を「磁気」と言います。磁気が周囲の磁石や電流に力を及ぼす空間を【磁界、または磁場】と言います。
ってことらしいのですが、「磁場が発生するのは何で?」については、今後、“超極小『素粒子』の世界”を追求する中で明らかにしていきたいと思います。・・・・・*6
磁石の両端は鉄を引きつける力が強く、この引力の強い部分を「磁極」といい、磁石のN-N極、S-S極には互いに反発する力、N-S極には互いに引き付け合う力が働き、この磁極間にはたらく力のことを【磁気力、または磁力】と言います。磁極は周囲に磁力を及ぼすので、磁力の強さに応じて磁力線を出しているとします。
磁力線って何で出来ているの?・・・・・*7
ここで、定例の「ポチッ」をお願いします。
ブログランキング・人気ブログランキングへ にほんブログ村 科学ブログへ

 にほんブログ村 科学ブログへ


電荷と同様、磁気についても全く同じことが言えます。異なる磁石の極どうしは引き合い、そしてその力は磁力の積に比例し、距離に反比例します。
しかし、電荷とは異なり磁石の場合は片方だけの極では存在せず、必ずN極とS極が対になって存在します。電荷の場合は、プラスとマイナスは分離できますが、磁石のN極とS極は分離できません。
何故、磁石のN極とS極は分離できないの? は後述します。
このため、磁極からの磁場は、電場の様に一様な放射状に発せられるのではなく、N極から出た磁力は弧を描くような線をたどってS極に向います。この様子は、磁石の上に砂鉄を播いた紙を載せてみると分かります。そして、この砂鉄が描き出す弧状の線を「磁力線」と呼び、磁力線の向きはN極からS極に向かう方向と決められています。(って決めただけですよ~)
%E7%A3%81%E7%9F%B3%E3%80%80%E7%A3%81%E5%A0%B4.bmp
【砂鉄による棒磁石の磁力線】
画像は、リンクよりお借りしました。
次は、磁場が生じる事例として、電線やコイルに電流を流した場合を考えてきます。
●電線に流した電流が生じる磁場
真っ直ぐに張った長い電線があり、ここに直流電流を流したとします。すると、電線を取り巻くドーナツの様に環状の磁力線ができます。この時の磁力線の向きは、電流を流す方向によって決まります。手前側から向こう側に電流が流れる時には、手前から見て時計回りの方向の磁力線になる。これは「右手ネジの法則」と呼ばれる。
この磁力の向きを表す線=磁力線の束を「磁束」と呼び、磁力の強さは単位面積あたりの磁束の本数、つまり「磁束密度」で表されます。「磁束」などと言わなくても「磁力線」のままでよさそうな気もしますが・・・・・
下図の場合、どこで切っても磁束密度が一定なため、磁極は発生しません。(磁極:S及びN極:引きつける力の強い場所)
%E5%8F%B3%E3%81%AD%E3%81%98%E3%81%AE%E6%B3%95%E5%89%87.bmp
画像は、リンクよりお借りしました。
磁石は、電流を流していないのに磁場がある。しかし、電線は電流を流すと磁界が出来る? 何で?・・・・・これも後述します。
●コイルと電磁石
【一巻きコイル】
電線を巻いて輪(コイル)にし、この輪に時計回りの向きに電流を流してみます。右ねじの法則を使って考えると、磁力線は紙面前方からコイルに入り、後方から出て行きます。したがって、コイルの外側の磁界は、紙面前方側がS極、後方側がN極の円板状の磁石が作る磁界と同じです。
1%E5%B7%BB%E3%81%8D%E3%82%B3%E3%82%A4%E3%83%AB%E3%81%AE%E7%A3%81%E7%95%8C.bmp
  【1回巻きコイルの周りの磁界】
画像は、リンクよりお借りしました
【何重も巻いたコイル】
電流も磁界を作るので、(a)に示すようなコイルを作り、電流を流して磁針に近づけてみると、磁針はコイルの方向に向き、電流の向きを逆にすると磁針は逆向きになります。
磁力線を示すと(b)のようになり、コイルの周りで起こることは磁石の周りで起こることと同じです。実際にはコイルは磁極を持ちませんがが、コイルから離れた位置からみると「磁界がコイルから発生しているのか、磁極(磁石)から発生しているのか」を区別することはできません。磁力線はN極からS極に向かう方向と決めているので、右側がN極に左側がS極になっている磁石があるのと同じです。
%E3%82%B3%E3%82%A4%E3%83%AB%E5%91%A8%E3%82%8A%E3%81%AE%E7%A3%81%E7%95%8C.bmp
             【コイル近傍の磁界】
画像は、リンクよりお借りしました
上図で用いたコイルにクリップに近づけてみてもクリップはコイルに吸引されません。これは、コイルの作る磁界が磁極の作る磁界に比べて小さいためです。
コイルの中に鉄心を入れてやれば、下図(c)に示すように、コイルで鉄片を吸引することができます。これは、下図(d)に示すように、コイルの作る磁界により鉄心内の原子磁石が配列し、鉄心の端に磁極が発生したためです。
%E9%89%84%E5%BF%83%E3%81%AE%E5%90%B8%E5%BC%95%E5%8A%9B.bmp%E9%89%84%E5%BF%83%E5%86%85%E3%81%AE%E5%8E%9F%E5%AD%90%E7%A3%81%E7%9F%B3.bmp
        (c)鉄心による吸引力   (d)鉄心内の原子磁石
                    【電磁石】
画像は、リンクよりお借りしました
もう少し解りやすくしてみます。あわせて前述した
・磁石は、電流を流していないのに磁場がある。しかし、電線は電流を流すと磁界が出来る?
・何故、磁石のN極とS極は分離できないの?
にも取り組みます。
%E3%82%B3%E3%82%A4%E3%83%AB%E5%91%A8%E3%82%8A%E3%81%AE%E7%A3%81%E7%95%8C.bmp%E7%A3%81%E7%9F%B3%E3%80%80%E7%A3%81%E5%A0%B4.bmp
再度、上図を見ながら
コイルに電流を流すと磁界が出来る。電流とは電荷(電子)の移動のことですから「電荷(電子)が移動すると磁界が出来る」ということになります。でも、磁石には電流=電荷(電子)の流れがありませんよね。磁石の場合は、電荷(電子)の移動ではなく、電荷(電子)が回転することによって、磁界が発生しているのです。
%E9%9B%BB%E5%AD%90%E3%82%AF%E3%83%AB%E3%82%AF%E3%83%AB.bmp
【電荷(電子)が回転】
さらに
電荷(電子)という単体が回転して、磁界が出来るのでs極とN極は分離できないということになります。
さらに、さらに
コイルの中に鉄心を入れると、電流を流して発生したコイルの磁界によって鉄心の中の電荷(電荷)が強制的に回転させられ、その電荷(電荷)の回転によって磁界が出来る。
よって
電流(コイル)と磁極(鉄心)の両者が磁界を作るため、コイルのみの場合に比べてはるかに強い磁界が作られるようになります。この磁石は電流が流れているときのみ磁界を発生するので電磁石とよばれ、コイルや電磁石の磁力は、流す電流とコイルの巻き線の数に比例します。
もう一つ、磁気を帯びていない鉄と磁気を帯びた鉄(磁石)は何が違うの? という疑問が出てきますよね。
それは、磁気を帯びた鉄(磁石)の電荷(電子)の回転方向が一方向に揃っているためです。他方、磁気を帯びていない鉄の電荷(電子)の回転方向はバラバラです。
長くなってしまいましたが、もう少し辛抱してください。
●交流を流した時の磁場
交流では時間とともに電圧と電流の方向が変化します。もう少し詳しく言えば、電圧や電流は時間とともに次第に強くなって再び弱くなり、今度は反対向きに次第に強くなって弱くなるといった変化をします。そして、そのカーブはきれいなサインカーブを描き、その電流の向きが変化する頻度を周波数と呼び、ヘルツ[Hz]の単位で数えます。
%E4%BA%A4%E6%B5%81.bmp
画像は、リンクよりお借りしました。

下図のように、交流電源に接続されたコイル(螺旋状に巻かれた導体)に交流電流が流れると、コイルの内部と外部を回る図のような磁界が出来ます。
電線に流す電流の向きが変れば、磁場の方向も変ります。つまり電流の向きに応じて、次第に強くなっては弱くなり、今度は反対方向の向きに強くなって弱くなる磁場ができます。ちょうど磁場が波の様に変化する磁場が生じることになり、この様に変化する磁場を交番磁場、あるいは交番磁界と呼びます。
%E4%BA%A4%E7%95%AA%E7%A3%81%E7%95%8C.gif
【コイルに電流が流れると磁界が発生する】
画像は、リンクよりお借りしました。

今回、電磁誘導までいこうと思っていたのですが、あまりにも長くなりすぎるのでここで終了します。
最後に、今後の追究課題をまとめておきます。
磁場が発生するのは何で?・・・・・・・*6
磁力線って何で出来ているの?・・・・・*7

次は、いよいよ【電磁波】にチャレンジします。お楽しみに!!!

List    投稿者 ka-syun | 2011-10-28 | Posted in ⑬相対性理論・量子力学・素粒子No Comments » 

トラックバック

このエントリーのトラックバックURL:
http://www.seibutsushi.net/blog/2011/10/1220.html/trackback


Comment



Comment


*