電流と電圧の問題

U 字形磁石の磁界の中にコイルをつるし、コイル、抵抗が $10\Omega$ の電熱線、電源装置を直列につなぎました。電源装置の電圧を $3\mathrm{V}$ にして電流を流すと、コイルは電流を流す前の位置から東向きに $2\mathrm{cm}$ 動いて止まりました。

次に、電流を止めてコイルをもとの位置にもどし、磁石とコイルの位置はそのままで、電源装置の $+$ 極と $-$ 極のつなぎ方を逆にして、電源装置の電圧を $6\mathrm{V}$ にして電流を流しました。このとき、電流を流す前の位置から止まった位置までの、コイルの位置の変化は何 cm ですか。東向きを正、西向きを負として、符号をつけて答えなさい。

ただし、コイルと導線の抵抗は考えないものとし、コイルの位置の変化の大きさはコイルに流れる電流の大きさに比例するものとします。

コイル、抵抗器、検流計を直列につないだ回路をつくり、コイルの右側から棒磁石を、コイルの中心を通る水平な直線にそって動かす実験を行った。

実験 1：巻き数 $100$ 回のコイルと、抵抗の大きさが $10\Omega$ の抵抗器を使った。棒磁石の N 極をコイルに向けて、ある一定の速さ $v$ でコイルに近づけたところ、検流計の針は右に $6$ 目盛り振れた。

実験 2：コイルを巻き数 $300$ 回のコイルに、抵抗器を「抵抗の大きさが $10\Omega$ の抵抗器 2 個を直列につないだもの」にかえた。コイルの巻く向き、回路のつなぎ方、検流計は実験 1 と同じである。次に、棒磁石の向きを逆にして S 極をコイルに向け、コイルの右側の近くから、速さ $v$ の半分の一定の速さでコイルから遠ざけた。

検流計の針が右に振れたときの目盛りの数を正の数、左に振れたときの目盛りの数を負の数で表すとき、実験 2 で針が振れた目盛りの数を求めなさい。ただし、コイルに生じる電圧の大きさはコイルの巻き数と磁石を動かす速さのそれぞれに比例し、検流計の針の振れの大きさは回路に流れる電流の大きさに比例するものとする。また、コイル・導線・検流計の抵抗は考えないものとする。

コイルを検流計につなぎ、コイルの真上から棒磁石を真下に動かして、コイルに流れる電流を調べる実験をした。棒磁石は N 極を下に向け、コイルに近づける向きに、一定の速さで動かした。検流計の針が右に振れたときの振れの大きさを正の数、左に振れたときの振れの大きさを負の数で表すことにすると、結果は次のようになった。用いた棒磁石はすべて同じものである。

• 実験 1：巻き数 50 回のコイルで、速さ 10 cm/s で近づけたとき、$+1.0$ 目盛り
• 実験 2：巻き数 50 回のコイルで、速さ 20 cm/s で近づけたとき、$+2.0$ 目盛り
• 実験 3：巻き数 100 回のコイルで、速さ 10 cm/s で近づけたとき、$+2.0$ 目盛り

次に、巻き数 150 回のコイルを使い、N 極を下に向けた同じ棒磁石をコイルのすぐ上から、コイルから遠ざける向き（真上）に速さ 30 cm/s で一定の速さで動かした。このときの検流計の針の振れを、上の表し方（右を正、左を負）にしたがって数で答えなさい。ただし、針の振れの大きさは、磁石の速さとコイルの巻き数のそれぞれについて、実験 1〜3 と同じ関係が成り立つものとする。

電熱線を電源につなぎ、電熱線に $6\mathrm{V}$ の電圧を加えたところ、電熱線に $2\mathrm{A}$ の電流が流れた。この状態で 3 分間電流を流したとき、電熱線が消費した電力量は何 J ですか。ただし、電圧と電流の大きさは 3 分間変わらないものとする。

抵抗が $15\Omega$ の電熱線を電源装置と電流計につなぎ、電熱線の両端に $6.0\mathrm{V}$ の電圧を加えました。電源装置・電流計・電熱線は 1 本の導線の輪になるように直列につながっています。このとき、電熱線に流れる電流は何 A ですか。ただし、導線と電流計の抵抗は考えないものとします。