電磁石のしくみ

解体屋、ロックコンサート、玄関の共通点は何ですか？それらはそれぞれ電磁石、電気の適用によって磁場を作り出す装置を使用します。解体屋は非常に強力な電磁石を使用して、重い金属くずや車全体をある場所から別の場所に移動します。お気に入りのバンドは、電磁石を使用してスピーカーから出る音を増幅します。そして、誰かがあなたのドアベルを鳴らすと、小さな電磁石が金属製のクラッパーをベルに押し付けます。

機械的には、電磁石は非常に簡単です。これは、金属片に巻き付けられた、通常は銅である長さの導線で構成されています。同様フランケンシュタインの怪物まで、これは、より多くの部品の緩いコレクションより少しのように思える電気が絵になります。しかし、電磁石に命を吹き込むために嵐を待つ必要はありません。電流は、バッテリーまたは別の電源から導入され、ワイヤーを流れます。これにより、コイル状のワイヤーの周りに磁場が発生し、永久磁石であるかのように金属が磁化されます。電磁石は、回路を完成または遮断することでそれぞれ磁石のオンとオフを切り替えることができるので便利です。

先に進む前に、電磁石が、アイスキャンデーのアートを冷蔵庫に保持しているような、ありふれた「永久」磁石とどのように異なるかについて説明する必要があります。ご存知のように、磁石には「北」と「南」の2つの極があり、鋼、鉄、またはそれらの組み合わせでできたものを引き付けます。。極が反発し、反対が引き付けるように（ああ、ロマンスと物理学の交差点）。たとえば、両端に「北」と「南」のマークが付いた2つの棒磁石がある場合、一方の磁石の北端がもう一方の南端を引き付けます。一方、一方の磁石の北端はもう一方の磁石の北端をはじきます（同様に、南は南をはじきます）。電磁石は「一時的」であることを除いて同じ方法です-磁場は電流が流れているときにのみ存在します。

ドアベルは、永久磁石がまったく意味をなさないアプリケーションで電磁石を使用する方法の良い例です。ゲストが玄関のドアのボタンを押すと、ドアベル内の電子回路が電気ループを閉じます。つまり、回路が完成して「オン」になります。閉回路は電気が流れることを可能にし、磁場を生成し、クラッパーを磁化させます。ほとんどのドアベルのハードウェアは、金属製のベルと金属製のクラッパーで構成されており、磁力によってドアベルが互いにぶつかると、内部のチャイムが聞こえ、ドアに答えることができます。ベルが鳴り、ゲストがボタンを離すと、回路が開き、ドアベルが地獄の鳴りを止めます。このオンデマンドの磁気が電磁石を非常に便利にしているのです。

この記事では、電磁石を詳しく見て、これらのデバイスがどのようにかなりクールな科学を取り入れ、それを私たちの生活を楽にする私たちの周りのギズモに適用するかを発見します。

コンテンツ

1. 電磁石の歴史
2. 電磁石の粘着力
3. 「電磁石」に「電磁石」を入れる
4. 私たちの周りの電磁石
5. DIY電磁石と試してみる実験

電気と磁気の関係は、物理学者のジェームズ・マクスウェルが正電荷と負電荷の相互作用を観察した1873年まで徹底的に研究されていませんでした[出典：Mahon ]。継続的な実験を通じて、マクスウェルは、これらの電荷がそれらの方向に基づいて互いに引き付けたり反発したりできると判断しました。彼はまた、磁石が極、または電荷が集中する個々の点を持っていることを発見した最初の人でした。そして、電磁気学にとって重要なこととして、マクスウェルは、電流がワイヤーを通過すると、ワイヤーの周りに磁場が発生することを観察しました。

マクスウェルの仕事は、仕事での科学的原理の多くに責任がありましたが、彼は電気と磁気を実験した最初の科学者ではありませんでした。ほぼ50年前、ハンスクリスチャンエルステッドは、彼が使用していたコンパスが、ラボのバッテリーのオンとオフを切り替えたときに反応することを発見しました[出典：グレゴリー]。これは、コンパスの針に干渉する磁場が存在する場合にのみ発生するため、彼は、バッテリーから流れる電気から磁場が生成されたと推測しました。しかし、エルステッドは化学の分野に引き寄せられ、電気と磁気の研究を他の人に任せました[出典：Mahon ]。

電磁気学の祖父は、後にマクスウェルによって構築された理論の多くを設計した化学者および物理学者のマイケルファラデーです。ファラデーがマクスウェルやエルステッドよりも歴史上はるかに著名である理由の1つは、おそらく彼がそのような多作な研究者であり発明者であったためです。彼は電磁気学の分野のパイオニアとして広く知られていますが、電磁誘導を発見したことでも知られています。これについては、後で実際のアプリケーションを検討するときに説明します。ファラデーは電気モーターも発明し、物理学における彼の影響力のある仕事に加えて、彼は英国王立研究所のフラリアン化学教授の権威ある地位に任命された最初の人物でもありました。汚すぎる格好はやめて。

では、これらの男性の仕事は何を明らかにしたのでしょうか？次のセクションでは、電磁石がどのように機能するかを見ていきます。

冒頭で述べたように、基本的な電磁石はそれほど複雑ではありません。あなたができる1の簡易版を構築し、自分自身が、あなたはおそらく家の周りに横たわっている材料を使用しました。導線（通常は絶縁銅）が金属棒に巻かれています。ワイヤーは触ると熱くなります。そのため、絶縁が重要です。ワイヤーが巻かれるロッドはソレノイドと呼ばれ、結果として生じる磁場はこの点から放射されます。磁石の強度は、ワイヤーがロッドに巻き付く回数に直接関係します。より強い磁場を得るには、ワイヤーをよりしっかりと巻き付ける必要があります。

OK、それ以上のものがあります。ワイヤーがロッドまたはコアの周りにきつく巻かれるほど、電流がその周りに作るループが多くなり、磁場の強さが増します。ワイヤーがどれだけきつく巻かれているかに加えて、コアに使用される材料は磁石の強度を制御することもできます。たとえば、鉄は強磁性金属であり、透過性が高いことを意味します[出典：ボストン大学]。透水性は、材料が磁場をサポートすることができますどれだけ記述する別の方法です。特定の材料が磁場に対して伝導性が高いほど、その透磁率は高くなります。

電磁石の鉄の棒を含むすべての物質は、原子で構成されています。ソレノイドが帯電する前に、メタルコアの原子はランダムに配置され、特定の方向を指していません。電流が導入されると、磁場がロッドを貫通して原子を再配列します。これらの原子が動いていて、すべて同じ方向にあると、磁場が大きくなります。ドメインと呼ばれる磁化された原子の小さな領域である原子の配列は、電流のレベルに応じて増減するため、電気の流れを制御することで、磁石の強度を制御できます。すべてのドメインが整列しているときに飽和点があります。つまり、電流を追加しても磁気は増加しません。

電流を制御することにより、基本的に磁石のオンとオフを切り替えることができます。電流がオフになると、原子は自然でランダムな状態に戻り、ロッドはその磁性を失います（技術的には、いくつかの磁気特性を保持しますが、それほど長くはありません）。

家族の犬の写真を冷蔵庫に保持するような、ありふれた永久磁石を使用すると、原子は常に整列し、磁石の強度は一定になります。永久磁石を落とすことで、その粘着力を奪うことができることをご存知ですか？衝撃により、実際に原子が整列から外れる可能性があります。磁石をこすることで再び磁化することができます。

電気パワーへの電磁石は、右、どこから来なければなりませんか？次のセクションでは、これらの磁石がジュースを得る方法のいくつかを探ります。

電磁石を動かすには電流が必要なので、どこから来るのですか？簡単な答えは、電流を生成するものはすべて電磁石に電力を供給することができるということです。小さな単三より電池大規模、産業用発電所にリモートお使いのテレビで使用されるプルという電気から直接グリッドは、その店舗に転送する電子あれば、それは電磁石に電力を供給することができます。

家庭用バッテリーがどのように機能するかを見てみましょう。ほとんどのバッテリーには、プラスとマイナスの2つの簡単に識別できる極があります。バッテリーを使用していないときは、電子が負極に集まります。バッテリーがデバイスに挿入されると、2つの極がデバイスのセンサーと接触し、回路が閉じて、電子が極間を自由に流れるようになります。リモコンの場合、デバイスは、バッテリーに蓄えられたエネルギーのための負荷または出口点を備えて設計されています[出典：グロスマン]。負荷は、リモコンの操作に使用するエネルギーを投入します。無負荷でバッテリーの両端に直接ワイヤーを接続するだけの場合、エネルギーはバッテリーからすぐに消耗します。

これが起こっている間、動く電子はまた磁場を作成します。リモコンから電池を取り出すと、わずかな磁気電荷が保持される可能性があります。リモコンで車を拾うことはできませんでしたが、小さな鉄のやすりくずやペーパークリップでさえも拾うことができませんでした。

スペクトルのもう一方の端は地球そのものです。前に説明した定義により、電磁石は、電流が強磁性コアの周りを流れるときに作成されます。地球の核は鉄であり、北極と南極があることを私たちは知っています。これらは地理的な指定だけでなく、実際の反対の磁極です。ダイナモ効果は、外核を横切る溶鉄の動きのおかげで鉄に大電流を生成する現象であり、電流を生成します。この電流は磁気電荷を生成し、地球のこの自然な磁気がコンパスを機能させるものです。金属製の針が北極の引きに引き付けられるため、コンパスは常に北を指します。

明らかに、小さな自家製の科学実験と地球自体の間には、幅広い電磁石の用途があります。では、これらのデバイスは現実の世界のどこにポップアップしますか？次のセクションでは、私たちの日常生活が電磁気学によってどのように影響を受けるかを見ていきます。

多くの電磁石は、簡単にオンとオフを切り替えることができ、コアの周りを流れる電気の量を増減することで強度を制御できるため、永久磁石よりも優れています。

現代の技術は、磁気記録装置を使用して情報を保存するために電磁石に大きく依存しています。たとえば、コンピュータのハードドライブにデータを保存すると、保存された情報に固有のパターンで、磁化された小さな金属片がディスクに埋め込まれます。このデータは、バイナリデジタルコンピュータ言語（0と1）として誕生しました。この情報を取得すると、パターンは元のバイナリパターンに変換され、使用可能な形式に変換されます。では、これが電磁石になる理由は何でしょうか。コンピュータの回路を流れる電流は、これらの小さな金属片を磁化します。これは、テープレコーダー、VCR、およびその他のテープベースのメディアで使用されているものと同じプリンシパルです（もちろん、テープデッキとVCRをまだ所有している人もいます）。これが磁石が これらのデバイスのメモリに大混乱をもたらすことがあります。

電磁石はまた、そもそも電気の可能性を実際に利用するための道を開いた。電化製品では、壁のコンセントから流れる電流が磁場を生成するため、モーターが動きます。モーターに電力を供給するのは電気そのものではなく、磁石によって生成される電荷​​です。磁石の力によって回転運動が発生します。つまり、タイヤが車軸を中心に回転するのと同じように、磁石は固定点を中心に回転します。

では、このプロセスをスキップして、最初にモーターに電力を供給するためにコンセントを使用してみませんか？アプライアンスに電力を供給するために必要な電流が非常に大きいためです。テレビや洗濯機などの大型家電製品の電源を入れると、家の照明がちらつくことがあることに気づいたことがありますか。これは、アプライアンスが最初に大量のエネルギーを消費しているためですが、その大量のエネルギーはモーターを始動するためにのみ必要です。それが起こると、電磁誘導のこのサイクルが引き継ぎます。

家電製品から、電磁石が宇宙の起源を解き明かすためにどのように使用されているかを確認するために、これまでに構築された中で最も複雑な機械のいくつかに移行しています。粒子加速器は、衝突したときに何が起こるかを観察するために、荷電粒子を信じられないほど高速で互いに向かって推進する機械です。これらの亜原子粒子のビームは非常に正確であり、軌道を制御することが重要であるため、コースから外れて機械に損傷を与えることはありません。ここで電磁石が登場します。磁石は衝突するビームの経路に沿って配置され、その磁気は実際に速度と軌道を制御するために使用されます[出典：NOVATeachers ]。

私たちの友人の電磁石にとって悪い履歴書ではありませんか？ガレージで作成できるものから、科学者やエンジニアが宇宙の起源を解読するために使用しているツールの操作まで、電磁石は私たちの周りの世界で非常に重要な役割を果たしています。

あなた自身のいくつかの電磁実験を試す準備はできましたか？いくつかの楽しいアイデアについては、次のページをクリックしてください。

電磁石は簡単に作ることができます。ほんの数個のハードウェアと電源があなたをあなたの道に連れて行きます。まず、次のアイテムが必要です。

これらのアイテムを入手したら、バッテリーとの良好な接続を提供するのに十分なだけ、銅線の両端から絶縁体を取り外します。ワイヤーを釘に巻き付けます。しっかりと包むほど、磁場は強くなります。最後に、ワイヤーの一方の端をプラス端子に接続し、もう一方の端をマイナス端子に接続してバッテリーを接続します（ワイヤーのどちらの端がどの端子とペアになるかは関係ありません）。プレスト！動作する電磁石[出典：ジェファーソンラボ]。

電磁気の実地実験を十分に行うことができませんか？私たちはあなたが試すためのいくつかのアイデアを持っています：

電磁石と関連トピックの詳細については、次のページの電磁石のリンクを確認してください。

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