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電磁石を使った実験例│安全に配慮して子供と楽しくお勉強!

公開日: 2019/03/29

自由研究としてもピッタリな電磁石の実験の方法と注意点、実験例を紹介します。

目次
電磁石の実験で身に付く知識
電磁石の作り方
電磁石を使った実験例
電磁石の釣りざおをつくって、磁力の強さを計ってみよう!
磁石の力で走る!リニアモーターカー
電磁石について知ることで、電気について考えてみよう

電磁石の実験で身に付く知識

「磁石」というと、まず「U」の形をしたU字磁石をイメージするのではないでしょうか。鉄でできたものを近づけると、ピタッとくっついたり、はなれたりする、あの磁石です。このくっついたり、はなれたりする力のことを「磁力」といいます。この磁力がはたらく場(空間)のことを「磁界」とよびます(U字磁石は、磁力がずっとはたらくことから「永久磁石」とも呼ばれます)。

磁石には、電気の力で磁力を得るものもあります。電磁石と呼ばれるもので、電流が流れている間だけ磁力が発生する磁石です。

では、なぜ磁力によってモノがくっついたり、はなれたりするのでしょうか。この記事では「電磁石」に注目し、そのしくみを探っていきましょう。

電流ってなんだろう

私たちがくらす世界には、目に見えない「電子」という物質があります。いま私たちが着ている洋服にも宿っていますし、体にもふくまれています。電気には「プラス」と「マイナス」があり、マイナスの電気を帯びているほうを「電子」といいます。
電子はわたしたちの身の回りのいたるところに存在していて、ひとつの場所にじっと止まっているだけでなく移動をします。簡単にいうと、この電子が移動することを電流といいます。

マイナス同士では、お互いに反発しあって移動が起きることはありません。しかし、プラスとマイナス同士であればその間で移動が起きます。中でも、もっとも電気が移動しやすいのが金属です。

電磁石のしくみ

電流が流れているところには磁気が発生するので、導線に電流を流すと導線のまわりに磁気が発生します。この導線を1回転させると、外側から内側に磁気が集められます。2回、3回と回転させる度に集められる磁気が強くなり、たくさん回転させて磁力を強めたものが電磁石と呼ばれます。

電磁石の作り方

前述のとおり、電磁石のしくみは思っているよりずっと簡単です。学校や家で手に入る身近なものを使ってつくることができます。

用意するのは、エナメル線、ストロー、鉄くぎです。
最初に、ストローの端からエナメル線をていねいに巻いていきます。エナメル線を巻くときに気をつけたいのは、なるべく規則正しく巻いていくこと。ある程度巻いたら、いったん端に寄せ、空いたスペースにさらに巻いていきます。

(※エナメル線の外部は電気を通さない絶縁性があるので安全ですが、銅線を使用する場合は注意が必要です。また、巻く回数があまりにも少ないと、ショートする原因になることがあります。お子さんに指導する際は、よくチェックしてあげましょう)

このようにして、筒状の物体にエナメル線を巻きつけたものを「コイル」といいます。コイルができあがったら、ストローの中に鉄くぎを入れていきましょう。コイル(ストロー)の中に入れた鉄くぎが、「芯(しん)」になります。この芯に電流を流すと、磁石になります。

コイルに電流が流れることによって、コイルの周囲に磁界が発生し、それによって磁力を得ることができるのです。磁力が発生すると、モノを引き寄せたり、反発させたりといったことができるようになります。

電磁石を使った実験例

電磁石になっているかを確かめる実験:クリップを使った実験
まずはもっとも簡単ですが、重要な実験からスタートしましょう。鉄くぎが、ちゃんと磁石になっているかをたしかめる実験です。教室や家にあるクリップを使って行います。クリップは、10個以上用意するといいでしょう。

1. コイルに電流を流していない状態で、クリップを近づけてみます

すると、どうでしょうか。電磁石にクリップがひとつもくっつかないはずです。電流を流していない時は、鉄くぎは磁石にならないということですね。

2. コイルを回路につなげ、クリップに近づけてみます

クリップが電磁石についたら、成功です。電流が流れることで、鉄くぎが磁石になったということがわかります。

電磁石の釣りざおをつくって、磁力の強さを計ってみよう!

用意するもの:電磁石(コイル100回巻き、200回巻き)、乾電池2個、電流計、クリップ、重りになるもの(クリップに取り付けやすいもの)、プラスチックなどでできた棒(とがっていない、危険性のないもの)、プラスチックの皿

電磁石は、コイルに巻くエナメル線の巻き数によって、強くなっていく性質があります。
このことを、実験によって確かめてみましょう。

1. 100回巻いたコイルと、200回巻いたコイルを用意します。
※両方とも、エナメル線のバラツキやかたよりのないコイルとします
※電池の設置個数、パワーも同じ(新品の同じ商品)ものを用意しましょう

2. 100回巻きのコイルを、プラスチックなどでできた棒の先にしっかりとくくりつけます

3. 少し重りをつけたクリップをひとつ以上用意し、通常のクリップとともに皿の中に置きます

4. コイルをくくりつけた棒を、釣りざおで魚を釣り上げるイメージで、クリップの中にゆっくりと入れていきます

すると、どうなるでしょう。100回巻きのコイルの場合は、重りつきのクリップが持ち上がらなかったのではないでしょうか。パワー不足であることが確認できます。

5. 200回巻きのコイルを取り付けた棒に持ち替えて、クリップの中にゆっくりと入れていきます

今度は、どうでしょう。100回巻きの棒では持ち上がらなかった重りつきのクリップが、持ち上がれば成功です。自分たちで重りの重さを変えたりして、どのような条件なら重りつきクリップが持ち上がるのか、試行錯誤しながら実験すると楽しく学ぶことができると思います。

磁石の力で走る!リニアモーターカー

用意するもの:磁石(20個程度)、電池(6個以上)、軽いスポンジ(新幹線の形にするとおもしろいよ!)

1. 15〜20個程度の磁石を一直線に置きます。その両側に金属のレールをしきます

2. レールに電流を流して、軽いスポンジでつくった新幹線を置くと勢いよく滑り出します

果たして、どのようなしくみで新幹線は動いたのでしょうか。これは、少し難しい言葉ですが「ローレンツ力」とよばれるはたらきによるものです。磁力が生まれる「磁界」のなかで電流を流すと、ある一定の方向に力がはたらくことを指します。

とても簡単な実験ですが、今後開業を予定しているリニア中央新幹線などの基本は、まぎれもなくこのはたらきを利用したものなのです。近未来の技術の根本には何があるのか?ということを考えるきっかけにもなりますね。

安全に電磁石実験を楽しもう!

どのような実験でもいえることですが、安全性の確保も大切です。なるべく危険性のない実験をするために、安全な導線を使いましょう。導線本体のまわりをエナメルと呼ばれる絶縁体(電気を通さない物質)でコーティングした「エナメル線」がおすすめです。感電の危険性をおさえて実験をすることができますよ。

エナメル線に触れさせないように気を付ける

エナメル線は、電気を通さないエナメルで覆われていますので、感電の心配はありません。しかし、このことだけにとらわれると、やけどをしてしまう危険があります。今回の実験では、電池の数を変えたりすることで、コイルが想像以上に熱を持ってしまうことが考えられます。このことにも注意して、実験を見守りましょう。

使用する乾電池の数に制限を設ける

通常は直列つなぎにした乾電池を2本使って実験を行います。その数を増やすと、パワーが増えるということを学校の授業では教えます。ここで気をつけたいのが、どんどんエスカレートして乾電池をつなげすぎてしまう、ということです。好奇心旺盛な児童ほど「どんどんつなげて、強い電磁石をつくろう!」と思いがちです。

しかし、5個、6個…といった調子で、あまりにも多くの電池をつなげていくと、そのぶん加熱の危険性も高まるのです。短時間であれば危険性は少ないですが、一定時間以上つなげすぎてしまうと、コイルはどんどん加熱されてしまいますので、乾電池の管理には注意しましょう。

近くに磁気を発する物がない場所で実験させる

電磁石の仕組みを教える際は、まわりに磁気を発するものがないかにも注意してください。思わぬ方向にモノが飛んで行ったり、逆に吸い寄せられたりといった危険性があります。実験時には、必ず周囲の環境に注意しましょう。

電磁石について知ることで、電気について考えてみよう

私たちの生活に欠かせない電気。当たり前のように使っているものの、どのように作られているかを知る機会は、日常生活では少ないのではないでしょうか。エネルギーに関する議論が活発になり、電力の自由化も進む現代社会。さまざまな発電方法が生まれていますが、電気のしくみ自体は変わりません。

電磁石の実験をとおして、電気の性質について学ぶことができます。小中学生の早い段階で電気の働きを学ばせることは、科学的な分野への興味にとどまらず、環境などについても深く考えるきっかけになるかもしれません。楽しい実験をとおして、ぜひ、お子さんの好奇心を刺激してあげてください。

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