電気と磁気は、学校では別々の現象として学び始めることがあります。電池をつなぐと電流が流れ、磁石にはN極とS極があります。しかし実際には、電流と磁気は深く結びついています。電流は磁場をつくり、磁場の中を流れる電流には力が働き、さらに磁場が変化すると電流を生み出すことができます。
この関係があるからこそ、モーター、発電機、変圧器、電磁石、スピーカー、ワイヤレス給電など、多くの身近な技術が成り立っています。
結論から言うと、電流と磁気の関係が重要なのは、電気エネルギーと運動エネルギーを相互に変換したり、電圧を変えたり、接触せずに力やエネルギーを伝えたりできるからです。電気と磁気は独立した二つの現象というより、電磁気という一つの仕組みの異なる側面として理解することが大切です。
電流が流れると周囲に磁場ができる
導線に電流を流すと、その周囲には磁場が生じます。まっすぐな導線では、磁場は導線を取り囲むような向きになります。電流の向きを逆にすると、磁場の向きも逆になります。
OpenStaxの物理教材では、長い直線導線の周囲にできる磁場の強さは電流に比例し、導線からの距離が大きいほど小さくなることが示されています。つまり、電流を大きくすれば周囲の磁場も強くなり、導線から離れるほど磁場は弱くなります。
この性質は、電流を「磁場をつくる手段」として使えることを意味します。永久磁石は常に磁場をつくりますが、電流なら流す量や向きを変えることで、磁場の強さや向きを電気的に制御できます。
導線をコイルにすると磁場をまとめられる
一本の導線がつくる磁場は導線の周囲に広がります。そこで導線を何回も巻いてコイルにすると、それぞれの巻き線がつくる磁場が重なり、コイル内部にまとまった磁場をつくれます。
OpenStaxは、長いソレノイドの内部では磁場が比較的一様になり、その強さは電流と単位長さあたりの巻数に比例すると説明しています。つまり、同じ形のコイルなら電流を増やしたり巻数を増やしたりすることで、より強い磁場を得られます。
さらに鉄心などの磁性体を入れると磁場を強められる場合があります。これが電磁石の基本です。前の記事で扱ったように、電磁石は電流を使って磁力のオン・オフ、強弱、極性を制御できるため、リレーやアクチュエーターなどに利用されます。
磁場の中を流れる電流には力が働く
電流が磁場をつくるだけでなく、外部の磁場の中を流れる電流には力が働きます。この相互作用が、電気から運動を取り出すモーターの基本です。
金沢工業大学の物理教材では、磁場中の導体に電流を流すと、磁場と電流の両方に直角な方向へ力が働き、その力を利用してコイルを回転させるのがモーターだと説明されています。
コイルの左右で反対向きの力が働くように配置すると、コイルには回転させる力、つまりトルクが生じます。そして回転に合わせて電流の向きを切り替えれば、同じ方向に回転を続けられます。
扇風機、洗濯機、エアコン、冷蔵庫、電動工具、電気自動車など、回転運動を使う多くの装置にモーターが使われています。電流と磁場の関係が、電気エネルギーを機械的な動きへ変換しているのです。
モーターは「電気から動き」へ変える装置
モーターでは、電流と磁場の相互作用によって回転力を生みます。永久磁石を使う方式もあれば、固定子や回転子の両方に電磁石を使う方式もあります。
重要なのは、電流の向きや大きさを変えると、磁場との相互作用で生じる力も変化することです。電子回路で電流を細かく制御すれば、回転数やトルクを調整できます。
このため現代のモーターは、単に電気を流して回すだけの装置ではありません。電流、磁場、回転位置を連動させる制御装置として働いています。省エネルギー性能や静音性、小型化にも、電流と磁気の精密な制御が関わっています。
逆に、磁場を変化させると電流を生み出せる
電流から磁場をつくれるなら、その逆方向の関係もあります。コイルを通る磁場が時間とともに変化すると、コイルに電圧が生じます。これが電磁誘導です。
たとえばコイルの近くで磁石を動かすと、コイルを貫く磁場が変化し、電流が流れます。磁石を止めれば磁場の変化も止まるため、同じ条件では誘導される電圧も小さくなります。
経済産業省のエネルギー教育教材では、コイルと磁石を使った実験を通して、磁界の中でコイルや磁石を動かすと電流が生じ、動かす向きや速さ、磁石の極、コイルの巻数によって結果が変わることが扱われています。
この「変化する磁場が電気を生む」という関係が、発電機や変圧器の基礎になります。
発電機は「動きから電気」へ変える装置
発電機は、モーターと逆向きのエネルギー変換を行います。モーターが電気から回転運動を生み出すのに対し、発電機では回転運動によって磁場とコイルの位置関係を変え、電磁誘導によって電圧を生み出します。
北海道大学の物理教材では、磁場中で導線に電流を流すと力が働いてモーターとして回転し、逆にコイルを回転させるとコイルを貫く磁束が変化して起電力が生じ、発電機として働くことが説明されています。
火力、水力、風力、原子力など、発電方式はエネルギー源こそ異なりますが、多くの発電所では最終的にタービンなどで発電機を回し、電磁誘導を利用して電気をつくります。
つまり、電流と磁気の関係は家庭で使う電気を生み出す大規模な社会インフラにも直結しています。
変圧器は変化する磁場で電圧を変える
変圧器には、同じ鉄心などに巻かれた二つ以上のコイルがあります。一方のコイルに交流を流すと、時間とともに変化する磁場が生じます。その変化する磁場が別のコイルを通ると、電磁誘導によって電圧が生まれます。
コイルの巻数の比を変えることで、入力側と出力側の電圧を変えられます。送電では高い電圧を使うことで同じ電力を比較的小さい電流で運びやすくし、送電線での損失を抑えます。そして家庭や工場の近くで必要な電圧へ下げます。
変圧器の中で電気が導線を直接乗り移っているわけではありません。一方のコイルがつくる変化する磁場を介して、もう一方のコイルに電圧が誘導されます。ここにも電流と磁気の関係が利用されています。
ワイヤレス給電でも電磁誘導が使われる
スマートフォンなどのワイヤレス充電では、送電側のコイルに交流を流し、時間変化する磁場をつくります。受電側のコイルがその磁場を受けると、電磁誘導によって電圧が生じ、充電に利用できます。
この方法では金属端子どうしを直接接触させなくてもエネルギーを伝えられます。ただし、距離が離れたりコイルの位置がずれたりすると結合が弱くなり、効率が下がるため、コイルの形や周波数、位置合わせが重要です。
身近な充電器の中でも、電流が磁場をつくり、その磁場の変化が別の場所に電流を生み出すという電磁気の基本が働いています。
スピーカーでは電流の変化を振動へ変える
一般的なダイナミック型スピーカーでは、永久磁石がつくる磁場の中にボイスコイルがあります。音声信号に応じてコイルへ流れる電流が変化すると、コイルに働く力の向きと大きさも変化します。
その力で振動板が前後に動き、空気を振動させて音が生まれます。音声信号という電流の時間変化を、磁場との相互作用によって機械的な振動へ変換しているのです。
この仕組みはモーターとよく似ています。どちらも「磁場の中を流れる電流に力が働く」という関係を利用していますが、モーターは連続回転をつくり、スピーカーは細かな往復運動をつくります。
電流と磁気は一方向の関係ではない
電流と磁気の関係で重要なのは、作用が一方向ではないことです。電流は磁場をつくり、磁場は電流に力を及ぼし、さらに変化する磁場は電圧や電流を生み出します。
この三つの関係を整理すると、さまざまな装置の役割が見えやすくなります。電磁石では電流から磁場をつくり、モーターでは磁場と電流から力を取り出し、発電機や変圧器では磁場の変化から電気を得ます。
同じ電磁気の原理を、目的に応じて異なる方向へ使っているのです。
電気と磁気をまとめて考えると技術がつながって見える
永久磁石、電磁石、モーター、発電機、変圧器を別々に暗記すると、それぞれ全く異なる装置のように見えます。しかし電流と磁場の関係から考えると、共通した仕組みが見えてきます。
電流を流せば磁場をつくれる。磁場の中の電流には力が働く。磁場を変化させれば電圧を生み出せる。この三つを組み合わせるだけで、電気から動き、動きから電気、ある電圧から別の電圧へとエネルギーを変換できます。
この相互変換のしやすさが、電気エネルギーを社会で広く利用できる大きな理由の一つです。
まとめ
電流と磁気は互いに深く関係しています。電流が流れると周囲に磁場が生じ、磁場の中を流れる電流には力が働きます。また、コイルを通る磁場が変化すると電磁誘導によって電圧が生じます。
この関係を利用して、電磁石では磁力を制御し、モーターでは電気を運動へ変え、発電機では運動を電気へ変え、変圧器やワイヤレス給電では変化する磁場を介して電気エネルギーを伝えます。
電流と磁気の関係が身近な技術で重要なのは、単に二つの現象が結びついているからではありません。電気・磁場・力・運動を相互に変換できるため、家電から発電設備まで幅広い技術の基本原理になっているからです。
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参考資料
- 経済産業省 資源エネルギー庁「電流と磁界：電磁誘導と発電」
- 北海道大学オープンコースウェア「電気と磁気の融合そして電磁波」
- 金沢工業大学「モーター」
- OpenStax「Magnetic Fields Produced by Currents: Ampere’s Law」
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