机の上に棒磁石を 1 本置き、そのまわりに鉄粉をまくと、鉄粉は磁力線に沿った模様をつくる。磁力線には、各点での磁場の向きに矢印をつけて表す。地磁気の影響は無視する。
磁石の外部では、磁力線は（ a ）極から出て、反対側の極に入る。また、磁力線が（ b ）ところほど、磁場が強い。
文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、次の表のア〜エのうちから 1 つ選べ。
| a | b | |
|---|---|---|
| ア | S | 密な |
| イ | N | まばらな |
| ウ | N | 密な |
| エ | S | まばらな |
磁場と磁力線
磁石のまわりの磁場の向き（N 極から出て S 極に入る）を示し、磁力線の性質（交わらない・枝分かれしない、密なところほど磁場が強い）について述べた文の正誤を判定できる
前提
- 電流と磁界・電磁誘導の用語 （中学理科 物理分野の用語と知識）
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- 回路の性質と計器の使い方 （中学理科 物理分野の用語と知識）
- 電流と磁界・電磁誘導の用語 （中学理科 物理分野の用語と知識）
説明
磁石のまわりの空間には、そこに置いた方位磁針（小さな磁石）に力をはたらかせる性質があり、この空間のようすを「磁場（磁界）」といいます。磁場の向きや強さを目で見えるように描いた線が「磁力線」です。この技能を身につけると、磁石のまわりの磁場の向き（N 極から出て S 極に入る）を判断し、磁力線の性質について述べた文が正しいかどうかを判定できるようになります。選択式の正誤問題でよく問われます。
なぜそうしてよいのか
磁場の向きは、「その点に方位磁針を置いたとき、N 極が指す向き（N 極が受ける力の向き）」と決めます。中学で学んだように、同じ極どうしは反発し、違う極どうしは引き合います。そのため磁石の外側では、方位磁針の N 極は磁石の N 極から遠ざけられ、S 極に引き寄せられます。つまり磁石の外では、磁場は N 極から出て S 極へ向かう向きになります。磁力線は、各点での磁場の向きが線の接線の向き（矢印の向き）になるように描いた線なので、磁石の外では「N 極から出て S 極に入る」線になります。
磁力線が交わらない・枝分かれしない理由は、1 つの点での磁場の向きはただ 1 つに決まるからです。もし 2 本の磁力線が交わったり、1 本が枝分かれしたりすると、その点で磁場の向きが 2 つ以上あることになり、方位磁針の N 極がどちらを向くのか決まらなくなってしまいます。2 つの磁石を近づけたときも、磁場は 1 つに合わさって各点の向きは 1 つなので、やはり磁力線は交わりません。
また、磁力線は磁場の強いところほど密に（間隔を狭く）描く約束になっています。磁極の近くでは磁力線が込み合い、実際にそこでは方位磁針や鉄くずが強く引きつけられます。逆に、磁力線の間隔が広いところは磁場が弱いところです。なお、磁力線は見やすさのために一部だけを描いたもので、線と線のすき間にも磁場はあります。
手順
磁場の向きを確かめる：その点に置いた方位磁針の N 極が指す向きが磁場の向き（S 極が指す向きではない）。
磁石の外では、磁力線は N 極から出て S 極に入る向きに矢印をつける。
磁力線の接線の向き（矢印の向き）が、その点の磁場の向きであることを使う。
磁力線は交わらず、枝分かれもしない（1 点で磁場の向きは 1 つだから）ことを確認する。
磁場の強さは磁力線の密度で判断する：密（間隔が狭い）ほど強く、まばら（間隔が広い）ほど弱い。
選択肢の文を 1 つずつ上の性質と照らし合わせ、向きの逆転や強弱の逆転がないかを調べる。
例題
棒磁石のまわりの磁場と磁力線について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア 棒磁石の外部では、磁力線は S 極から出て N 極に入る。
イ 磁力線は、棒磁石のまわりのところどころで交わったり枝分かれしたりする。
ウ 磁力線の間隔が狭い（磁力線が密な）ところほど、磁場は強い。
エ ある点の磁場の向きは、その点に置いた方位磁針の S 極が指す向きである。
例題の解答
手順 1 より、磁場の向きは方位磁針の N 極が指す向きです。よってエは「S 極が指す向き」としているので誤りです。
手順 2 より、磁石の外部では磁力線は N 極から出て S 極に入ります。アは向きが逆なので誤りです。
手順 4 より、1 点での磁場の向きはただ 1 つなので、磁力線は交わらず、枝分かれもしません。イは誤りです。
手順 5 より、磁力線が密なところほど磁場は強いので、ウは正しいです。
手順 6 で 4 つの文をすべて確かめた結果、正しいのはウだけです。
答え: ウ
よくある誤り
磁場の向きを方位磁針の S 極が指す向きとしてしまう誤り。正しくは、磁場の向きは方位磁針の N 極が指す（N 極が力を受ける）向き。
磁石の外部で磁力線が「S 極から出て N 極に入る」としてしまう誤り。正しくは、磁石の外部では N 極から出て S 極に入る（N 極 S 極）。
2 つの磁石を近づけると磁力線が交わる、と考えてしまう誤り。正しくは、磁場は合わさって各点で向きが 1 つに決まるので、どんな場合も磁力線は交わらず枝分かれもしない。
磁力線の間隔が広いところほど磁場が強い、あるいは磁力線が描かれていない場所には磁場がない、としてしまう誤り。正しくは、磁力線が密なところほど磁場が強く、磁力線は一部だけを描いたものなので線のすき間にも磁場はある。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
この技能を使う問題
磁場と磁力線、および電流がつくる磁場についての記述のうち、正しいものを、次のア〜カからすべて選べ。ただし、導線やソレノイドは真空中にあり、地磁気の影響は無視する。また、直線導線とソレノイドは十分に長いものとする。
- ア 磁力線は、途中で交わったり枝分かれしたりしない。
- イ 直線電流がつくる磁場の強さは、導線からの距離の 2 乗に反比例する。
- ウ 電流の大きさが同じとき、円形電流が円の中心につくる磁場は、円の半径が小さいほど強い。
- エ ソレノイドの内部の磁場の強さは、電流と単位長さあたりの巻数が同じなら、ソレノイドの断面積によらない。
- オ ソレノイドの内部の磁場の向きは、ソレノイドの中心軸に垂直である。
- カ 鉛直上向きに電流が流れている直線導線を真上から見下ろすと、導線のまわりの磁場の向きは時計回りである。
真空中で、中心軸が東西方向を向くように、十分に長いソレノイドを水平に置いた。このソレノイドに一定の電流を流したところ、ソレノイドの西側の端から中心軸に沿って東向きにのぞきこむと、導線を流れる電流は時計回りに流れていた。このとき、ソレノイドの内部（中央付近）にできる磁場の向きと、ソレノイドの磁極について述べた文として最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。ただし、地磁気の影響は無視する。
- ア 内部の磁場は西向きで、ソレノイドの西側の端が N 極になる。
- イ 内部の磁場は東向きで、ソレノイドの西側の端が N 極になる。
- ウ 内部の磁場は東向きで、ソレノイドの東側の端が N 極になる。
- エ 内部の磁場は西向きで、ソレノイドの東側の端が N 極になる。
- オ 内部の磁場の強さはほぼ で、ソレノイドの両端に磁極はできない。
この技能の次に学べること
- 電流がつくる磁場（右ねじの法則） （高校物理 電磁気と交流（知識））
- 電流が磁場から受ける力（フレミングの左手の法則） （高校物理 電磁気と交流（知識））
- 地磁気とその要素 （高校地学 地球の形と内部構造（知識））