1. 電流で磁力を生む仕組みを先に整理

電磁石は、電流を流すことで磁力を発生させる磁石です。導線に電流が流れると、そのまわりに磁界ができます。さらに導線をぐるぐる巻いた「コイル」にすると、磁界が重なり合い、棒磁石のようにN極とS極をもつようになります。

結論から言えば、電磁石の最大の特徴は磁力をオン・オフできることです。永久磁石は電気を使わなくても磁力を保ちますが、電磁石は電流を流している間だけ強い磁力を出せます。電流の大きさを変えれば磁力の強さを変えられ、電流の向きを逆にすればN極とS極も入れ替えられます。

電磁石は「電気で操作できる磁石」です。
そのため、モーター、スピーカー、電磁クレーン、リレー、MRIなど、現代の機械や医療機器に広く使われています。

中学校理科でも、電流と磁界、磁界中のコイルにはたらく力、電磁誘導などが扱われます。つまり電磁石は、受験理科だけでなく、発電・モーター・家電・医療機器の仕組みまでつながる基礎知識です。

参考：文部科学省 中学校学習指導要領 理科

2. 普通の磁石との違いを表で比較

電磁石と永久磁石は、どちらも鉄などを引きつける磁石です。しかし、使い方は大きく違います。

永久磁石は、冷蔵庫のマグネットや方位磁針のように、電源なしで使える点が強みです。小型で扱いやすく、電池切れの心配もありません。

一方、電磁石は「必要なときだけ磁石にする」「磁力を強くする」「極を反転させる」といった操作が得意です。だから、動きを制御する機械に向いています。

どちらが優れているというより、常に磁力が必要なら永久磁石、磁力を操作したいなら電磁石と考えるとわかりやすいです。

3. なぜ電気を流すと磁石になるのか

電流とは、電子などの電荷が流れる現象です。電荷が動くと、そのまわりに磁界が生まれます。これが電磁石の出発点です。

まっすぐな導線に電流を流すと、導線のまわりに円を描くような磁界ができます。ただし、導線1本だけでは磁力はあまり強くありません。そこで導線を何回も巻いてコイルにします。

コイルにすると、1巻きごとにできる磁界が同じ向きに重なります。その結果、コイル全体が1本の棒磁石のようにふるまいます。

さらにコイルの中に鉄心を入れると、磁力は強くなります。鉄は磁界の影響を受けやすく、内部の小さな磁気の向きがそろいやすいからです。鉄心が入ることで磁界が集まり、より強い電磁石になります。

つまり、電磁石は次の流れで生まれます。

1. 導線に電流が流れる
2. 導線のまわりに磁界ができる
3. 導線を巻くと磁界が重なる
4. 鉄心を入れるとさらに磁力が強くなる

この4段階を押さえると、電磁石の基本はほぼ理解できます。

4. 磁力を強くする4つの方法

電磁石の強さは、主に「電流」「巻き数」「鉄心」「コイルの形」で変わります。

長いコイルの内側の磁界は、単純化すると次のように考えられます。

磁界の強さ ≒ 物質の磁界の通しやすさ × 単位長さあたりの巻き数 × 電流

専門的には B ≈ μ × n × I と表されます。B は磁束密度、μ は透磁率、n は単位長さあたりの巻き数、I は電流です。

ただし、電流を大きくすれば無限に強くなるわけではありません。導線には電気抵抗があるため、電流を流すと熱が出ます。巻き数を増やしすぎると導線が長くなり、抵抗も増えます。実際の電磁石では、磁力だけでなく、発熱、重さ、電源、安全性、材料の限界も考える必要があります。

5. N極とS極はどう決まるのか

電磁石にも永久磁石と同じようにN極とS極があります。コイルに流れる電流の向きによって、どちら側がN極になるかが決まります。

電流の向きが逆になると、磁界の向きも逆になります。そのため、電磁石のN極とS極も入れ替わります。

この性質はとても重要です。なぜなら、電磁石を使う機械では、磁力のオン・オフだけでなく、極の向きも制御に利用するからです。

たとえばモーターでは、コイルに流れる電流の向きをタイミングよく切り替えることで、磁石との引き合い・反発を繰り返し、回転を続けます。電磁石がなければ、電気で機械をなめらかに動かすことは難しくなります。

6. モーターが回る理由にも関係している

電磁石の代表的な応用がモーターです。モーターは、電気エネルギーを回転運動に変える装置です。

基本の流れは次の通りです。

1. コイルに電流を流す
2. コイルが電磁石になる
3. 周囲の磁石と引き合ったり反発したりする
4. 電流の向きを切り替えながら回転を続ける

扇風機、洗濯機、エアコン、冷蔵庫、電動歯ブラシ、パソコンの冷却ファン、電車、電気自動車など、モーターは身近な場所で大量に使われています。

このテーマが今も重要なのは、モーターが社会全体のエネルギー消費と深く関係しているからです。IEA 4EのElectric Motor Systems Platformは、2023年に電動機システムが世界の電力消費の53%を占めたと説明しています。産業分野では72%、建物では36%とされ、モーターの効率改善は省エネや脱炭素にも関係します。

参考：IEA 4E EMSA Electric Motor Systems Platform

理科の実験で作る小さな電磁石と、工場や電車で使われる大型モーターは規模こそ違います。しかし、「電流で磁界を作る」という基本原理はつながっています。

7. どんな場所に使われているのか

電磁石は、目立たないところで多くの機械を動かしています。

特にわかりやすいのが電磁クレーンです。鉄くずを持ち上げるときは電流を流して磁石にし、落とすときは電流を切ります。永久磁石では「くっつける」「離す」を簡単に切り替えられないため、この用途には電磁石が向いています。

スピーカーも身近な例です。コイルに流れる電流が音声信号に合わせて変化すると、コイルが前後に動きます。その動きが振動板に伝わり、空気を震わせて音になります。

8. MRIで使われる強い磁場

医療機器のMRIも、電磁石の応用を理解するうえで重要です。MRIは強い磁場と電磁波を使い、体内の水素原子から得られる信号を画像化する装置です。OECDは、MRIについて、体内の臓器や組織の詳細な画像を作る技術であり、X線やCTと異なり電離放射線を使わないと説明しています。

参考：OECD Magnetic resonance imaging units

医療用MRIでは、非常に強く安定した磁場が必要です。そのため、多くの装置では超伝導磁石が使われます。超伝導とは、非常に低い温度で電気抵抗がほぼゼロになる現象です。抵抗が小さいため、大きな電流を流し続けやすく、強い磁場を安定して保てます。

ただし、MRIは家庭で作る電磁石とはまったく規模が違います。強い磁場は金属を引き寄せる危険があるため、MRI室では持ち込み禁止物や安全確認が厳しく管理されています。

電磁石は便利な技術ですが、強くなればなるほど安全管理も重要になります。

9. 電磁誘導との違いも押さえる

電磁石と混同されやすい言葉に、電磁誘導があります。どちらも電気と磁気に関係しますが、起きていることの向きが逆です。

電磁石は「電気を流すと磁石になる」現象です。電磁誘導は「磁石やコイルを動かすなどして磁界を変化させると、電流が生まれる」現象です。

モーターと発電機の関係で考えるとわかりやすくなります。モーターは電気から運動を作ります。発電機は運動から電気を作ります。どちらも、コイルと磁界の関係を利用しています。

つまり、電磁石を理解すると、発電、送電、モーター、家電、電気自動車まで、身近な技術の見通しがよくなります。

10. 誤解されやすい注意点

電磁石はシンプルに見えますが、いくつか誤解されやすい点があります。

特に注意したいのは発熱です。コイルには電気抵抗があります。電流を流し続けるとジュール熱が発生し、導線や電池が熱くなることがあります。

家庭で実験する場合、乾電池と導線を直接つなぎっぱなしにするのは避けましょう。短時間の観察にとどめ、熱くなったらすぐにやめることが大切です。

また、強い磁石や電磁石は、磁気カード、時計、スマートフォン、精密機器、医療機器に影響を与える場合があります。強力な磁石を扱う場面では、必ず注意表示や説明書に従いましょう。

11. よくある質問

Q1. 電気を切ると電磁石は完全に磁石ではなくなりますか？
多くの場合、磁力は大きく弱まります。ただし、鉄心の材質によってはわずかな磁気が残ることがあります。これを残留磁気といいます。

Q2. 電磁石と永久磁石はどちらが強いですか？
一概には言えません。小さな電磁石より強い永久磁石もあります。一方で、大型装置や超伝導磁石では非常に強い磁場を作ることもできます。

Q3. 電磁石は交流でも使えますか？
使えます。ただし交流では電流の向きが周期的に変わるため、磁界の向きも変化します。交流用の電磁機器は、その性質を前提に設計されています。

Q4. 電磁石はなぜ鉄を引きつけるのですか？
鉄は磁界の影響を受けやすい物質です。電磁石の磁界によって鉄の内部の磁気的な向きがそろい、磁石に引きつけられるようにふるまいます。

Q5. コイルの巻き数を増やせば必ず強くなりますか？
基本的には強くなりやすいですが、巻き数を増やすと導線が長くなり、抵抗も増えます。電流が流れにくくなったり、発熱が増えたりするため、実際にはバランスが必要です。

Q6. モーターには必ず電磁石が使われていますか？
多くのモーターでは、コイルに電流を流して磁界を作り、その力を回転に利用します。ただし、設計によって永久磁石と電磁石を組み合わせるものもあります。

Q7. 小学生や中学生はどこまで理解すればよいですか？
まずは「電流が流れると磁界ができる」「コイルにすると強くなる」「鉄心を入れるとさらに強くなる」「電流の向きで極が変わる」を押さえれば十分です。その後、モーターや発電機につなげると理解が深まります。

12. 身近な磁力を理解すると機械の見え方が変わる

電磁石は、電気と磁気が別々のものではなく、深く結びついていることを教えてくれる代表的な仕組みです。電流が流れると磁界ができ、コイルにすると磁界が重なり、鉄心を入れるとさらに強くなります。

この性質があるからこそ、モーターは回り、スピーカーは音を出し、電磁クレーンは鉄を持ち上げ、MRIは体内の情報を画像にできます。さらに、モーターは世界の電力消費の大きな割合に関わっているため、電磁石の理解は省エネや技術革新を考えるうえでも重要です。

覚えるべき流れは、次の5つです。

• 電流が流れる
• 磁界ができる
• コイルで磁界が重なる
• 鉄心で磁力が強くなる
• 機械の動きや制御に利用される

理科は、用語を丸暗記するよりも、身近な現象と結びつけて理解する方が記憶に残ります。電磁石を学ぶと、家電、電車、医療機器、発電機などが、ただの「便利な機械」ではなく、電気と磁気を使った技術として見えてきます。

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見えない磁界を想像できるようになることは、科学を「暗記」から「納得」に変える第一歩です。電磁石の仕組みを押さえるだけで、身の回りの機械の見え方は大きく変わります。