技能一覧 › 高校物理 電磁気と交流(知識)

平行な 2 本の電流の間にはたらく力

平行な 2 本の直線電流が、同じ向きなら引きあい逆向きなら反発しあうこと、力の大きさ が距離に反比例し、作用・反作用で互いに等しいことを判定できる

前提

この技能までの道筋(11 技能)
算数中学高校大学大学院

読み込み中…

右端(太枠)がこの技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。

一覧で見る(前提が先)
  1. 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)
  2. 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)
  3. 磁場と磁力線 (高校物理 電磁気と交流(知識))
  4. 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))
  5. 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))
  6. 重力と力の大きさ (中学理科 力のはたらき)
  7. 2 力のつり合いと作用・反作用 (中学理科 力のはたらき)
  8. 力の種類とはたらき (中学理科 物理分野の用語と知識)
  9. 重力・垂直抗力・張力の性質 (高校物理 力と運動(知識))
  10. 慣性の法則と力のつり合い (高校物理 力と運動(知識))
  11. 作用反作用の法則とつり合う 2 力の区別 (高校物理 力と運動(知識))

説明

平行に置かれた 2 本の長い直線電流は、互いに磁場を通して力をおよぼしあいます。この技能を使うと、電流が同じ向きなら引きあい、逆向きなら反発しあうことを判定できます。また、力の大きさ が電流・距離・長さにどう依存するかもわかります。2 本の導線が受ける力は作用・反作用の関係にあり、つねに大きさが等しいことも判定できるようになります。

なぜそうしてよいのか

2 本の導線は直接ふれあっていません。それでも力がはたらくのは、一方の電流がまわりに磁場をつくり、もう一方の電流がその磁場から力を受けるからです。たとえば 2 本の導線を紙面に垂直に置き、どちらにも紙面の裏から表へ向かう電流を流すとします。左を導線 1、右を導線 2 とします。右ねじの法則より、導線 1 のまわりの磁場は表から見て反時計回りなので、右側にある導線 2 の位置では磁場は紙面上向きです。導線 2 についてフレミングの左手の法則を使うと、中指(電流)が紙面の表向き、人差し指(磁場)が紙面上向きなので、親指(力)は左向き、つまり導線 1 に近づく向きになります。導線 1 についても同様に考えると、導線 2 に近づく向きの力を受けます。したがって、同じ向きの電流は引きあいます。一方の電流を逆向きにすると力の向きも逆になるので、逆向きの電流は反発しあいます。

大きさも前提の式から導けます。導線 1(電流 )が距離 の位置につくる磁場の強さは です。真空中(空気中もほぼ同じ)では磁束密度は です( は真空の透磁率という定数)。よって となります。この磁場は導線 2 に垂直なので です。したがって、導線 2 の長さ の部分が受ける力は となります。この式は と を入れかえても変わりません。そのため、導線 1 が受ける力も同じ大きさになります。これは、2 本の導線が互いにおよぼしあう力が作用・反作用の関係にあることと一致しています。この関係は、2 本の電流の大きさが違っていても成り立ちます。

手順

  1. 一方の導線(電流 )が、もう一方の導線の位置につくる磁場の向きを右ねじの法則で求め、強さを と表す

  2. もう一方の導線(電流 )が受ける力の向きを、フレミングの左手の法則で求める。結論として、電流が同じ向きなら引きあい、逆向きなら反発しあう

  3. 力の大きさを で求める。 は ・・ に比例し、距離 に反比例する( ではない)

  4. 相手の導線が受ける力は、作用・反作用の法則により同じ大きさで逆向きと判定する。電流の大小にはよらない

例題

真空中で、十分に長い 2 本の直線導線 A, B を距離 だけ離して平行に置き、A には大きさ 、B には大きさ の電流を同じ向きに流した。このとき 2 本の導線が互いにおよぼしあう力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 A と B は互いに反発しあい、B が受ける力の大きさは A が受ける力の大きさの 2 倍である。
イ A と B は互いに引きあい、A が受ける力と B が受ける力の大きさは等しい。
ウ A と B は互いに引きあい、B が受ける力の大きさは A が受ける力の大きさの 2 倍である。
エ 導線の間の距離を にすると、力の大きさはもとの 倍になる。

例題の解答

手順 1:A の電流 が B の位置につくる磁場の強さは である。向きは右ねじの法則で決まる。
手順 2:B についてフレミングの左手の法則を使うと、電流が同じ向きのとき、B は A に近づく向きの力を受ける。つまり A と B は引きあう。これで「反発しあう」とするアは誤り。
手順 3:長さ の部分が受ける力の大きさは である。この力は距離 に反比例する。距離を にすると力は 倍になり、 倍にはならない。よってエは誤り。
手順 4:A が B から受ける力と、B が A から受ける力は作用・反作用の関係にある。そのため、電流の大きさが と で違っていても、力の大きさは等しい。よってウは誤りで、イが正しい。

答え:

イ

よくある誤り

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