棒磁石に電線を巻いて電流を流すとどうなる？コイルと磁石の関係をわかりやすく解説

棒磁石に電線を巻き付けてコイル状にし、そこへ電流を流すと何が起こるのかは、電磁気学を理解するうえで重要な実験の一つです。電線に流れる電流は周囲に磁界を作るため、棒磁石が持つ磁界と相互作用して、さまざまな現象が発生します。

この記事では、棒磁石とコイルに電流を流した場合の変化、電磁石との違い、磁界の向きや実際に起こる力について、基礎からわかりやすく解説します。

電線に電流を流すと周囲に磁界が発生する

電流が流れている導線の周囲には、必ず磁界が発生します。これは1820年にデンマークの物理学者エルステッドが発見した現象で、電気と磁気が深く関係していることを示しました。

まっすぐな電線では、磁界は導線を中心に円を描くように発生します。しかし、電線を何回も巻いてコイル状にすると、それぞれの巻き線が作る磁界が重なり、強い磁界を作ることができます。

そのため、電流を流したコイルは、棒磁石と同じようにN極とS極を持つ「電磁石」として働きます。

棒磁石に電線を巻き付けた状態で電流を流すと、コイルが作る磁界と棒磁石自身の磁界が影響し合います。

電流の向きが適切な場合、コイルによって作られる磁界のN極と棒磁石のN極、またはS極同士が同じ側に現れることがあります。この場合、同じ極同士は反発し、異なる極同士は引き合います。

例えば、棒磁石のN極側にコイルのN極ができた場合は反発力が生じます。一方、コイルのS極ができれば引き合う力が発生します。

コイルが作る磁界の向きは、電流の向きによって決まります。この関係は「右ねじの法則」または「右手の法則」で説明できます。

右手の親指をコイル内部の磁界の向き（N極方向）に向けたとき、残りの指が巻線を流れる電流の方向を示します。

つまり、電池のプラスとマイナスを逆につなぐと、コイルのN極とS極も逆になります。そのため、棒磁石との間に働く力も変化します。

棒磁石をコイルの中心に置いた状態で電流を流すと、磁界の向きや強さによって棒磁石に力が働きます。

もし棒磁石が自由に動ける状態なら、コイルが作る磁界に合わせて回転したり、引き寄せられたり、反発したりする場合があります。

例えば、モーターではこのような磁石とコイルの力の働きを利用しています。電流の向きを周期的に変えることで、磁石を連続的に回転させることができます。

棒磁石をコイルの中に入れると、もともと存在する磁界が加わるため、単純なコイルよりも強い磁気作用を示すことがあります。

ただし、棒磁石そのものが電流によって強くなるわけではありません。電流によって変化するのは主にコイルが作る磁界であり、棒磁石はその磁界との相互作用を受けます。

一方、鉄心など磁化されやすい材料をコイル内部に入れると、磁界によって鉄心が磁化され、より強力な電磁石になります。

コイルに流していた電流を止めると、コイルが作っていた磁界は基本的には消えます。そのため、電流によって発生していた引力や反発力もなくなります。

ただし、棒磁石自体は永久磁石なので、電流を止めても磁力を保ち続けます。つまり、コイルだけの場合と違い、棒磁石を使った場合は磁気作用が完全になくなるわけではありません。

この違いを利用すると、永久磁石と電磁石を組み合わせたさまざまな装置を作ることができます。

棒磁石に電線を巻いて電流を流すと、電線の周囲に発生した磁界と棒磁石の磁界が作用し合います。その結果、引き合いや反発、回転する力などが発生する可能性があります。

重要なのは、電流を流したコイル自体が電磁石になること、そして電流の向きを変えることで磁極の向きも変えられるという点です。

この原理は、モーター、スピーカー、発電機、リレーなど多くの電気機器に利用されており、電気と磁気の関係を理解する基本的な仕組みとなっています。