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A | 印刷用 不定期便 第23号 |
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M氏への手紙 ２
電磁気の不思議でおもしろい性質 |
従って通り道が広ければゆったりと拡がり、狭いところでは密集します。密集するほど磁場は強いでしょう。 場面① リングに磁石Ｎ極が接近してくるとき、リングに何が起こるでしょうか。このとき、図１から想像できるようにリングの円の内部を貫通している磁力線の数（磁束密度）はしだいに増加するでしょう。するとリングは近づくＮ極を押し戻すような磁場をつくろうとするのです。これはあたかも生物のような実に巧妙で謎めいた性質ですが、レンツ（Lenz）の法則として知られます。 図のリングの右側からリング面に垂直な向きで磁石が近づいているとします。質量を有するリングは静止を続けようとする性質――ニュートンの運動の第一法則――を持っています。このときわたしたちが知るところでは、リング導線内に電流が発生しまして、その発生した電流はＮ極が左向き接近（Ｎ極磁束密度の増加）してくることに反抗する向きの磁場を発生させるのです。つまりその磁場は図の右向き（磁石へ向かう向き）となります。これは反磁場と呼ばれます。  図１ |
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| そのメカニズムはといいますと、右ネジを右へ進めるときに廻すべき向きに、リング内電流が発生します。すなわち電流の向きは磁石に向かって右廻りです。するとさらに、そのリング内電流はリングの導線を取り巻くような磁場を発生させるのです。この磁場の向きは右回りです。これはエルステッド（ハンス・クリスティアン・エルステッド）が発見した電流の磁気作用の法則です。 その結果、リングの誘導電流によってリング円の内側にできる磁界は右向き、リング外では左向きとなります。こうして発生した磁場は磁石の磁場と合成されて、合成後の磁束密度は、互いに打ち消しあう円内では疎となり、互いに同方向となる外側では密となるわけです。ところが、磁場にはさらに興味深い性質がありまして、磁場の中にあって電流の流れる導線は、磁束線に垂直な向きに磁束密度の高くなる側から疎になる側へ力学的な力をうけるのです。ちょうど深いほど水圧の大きくなる水中でうける浮力のようなものです。これも自然の性質であり物理法則です。その結果リングはリングの外側から内側へ圧縮されるような力をうけるのです。 と同時に、リングに起こる反磁場によって反磁場源（この場合リングに生じた反電流）に正面からの“力”が生じ、リングは左へ押されるのです。左への加速度をうけるわけですね。反磁場がつくった力（作用）の反力（反作用）です。この場合、重力場の加速度とは勝手が違うことに、かなり注意を要します。 重力の場合には落下の加速度と慣性加速度とは等しいです。重力場は質量がつくります。それに対し、電磁力は質量ｍのリング全体に対してＦなる力を及ぼし、Ｆ＝ｍαなるαとして加速度が働くのであって、電磁力Ｆは質量によってではなく、理論的にはマクスウェル方程式で与えられるわけです |
要するに外部磁場の変化の強度によって決まるわけです。 その電磁力Ｆによって、もしｍが小さければ大きな加速度αで動こうとし、ｍが大きい場合にはなかなか動かないことになるわけですが、ｍが非常に小さいなら容易に大きい加速度で動かされる
ことになります。しかし、Ｆは磁石が接近してくる度合い、つまり磁場変化に従っているから、磁石の接近に応じて素早く逃げるなら、その磁場変化もまた減滅することになりましょう。こうしてリングは磁石から同間隔を保とうとするでしょう（もしもリングが固定されている場合には、磁石の動きに対してはっきりと、右のような電流、磁界、力学的力が生れるわけですが）。 ですから、もしも電流を起こしている電子の質量が無限に小さい場合、あるいは電場の流れにすぎない場合には、ほとんど位相差のない極めて早い相互作用となって、これが電磁波の伝わり速さというものでしょう。その速さは光速ｃと同じであると言われます。ファラデーやマクスウェルが予想したｃであります。 場面② こんどは磁石のＮ極が図２のように遠ざかろうとする場合はどうでしょうか。この場合にも誘導電流は生じます。面白いことに、こんどは減少しつつある磁束を引きとめ、磁石の去るのを引きとめようとする向きに働くのです。  図２すなわちコイルは相手Ｎに対してＳ極をつくろうとする向きの電流（磁石へ向かって左廻り）が発生するのですね。磁場状態を変えまいとする、あるいは保とうとする、と言ってもよいでしょう。 |
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| これも自然が持つ性質であり、われわれの思惑や推論に関係しません。 その結果リングは引かれて、図では右への加速を受けます。すなわち誘導電流の向きは磁石に向かってＳ極をつくろうとする向きで、誘導磁場の向きは図の場合左向きです。右ネジを左へ進めるためにドライバーを廻す向きに電流が生じるわけです。
その電流が導線の周りにつくる磁界（電流が進む向きに右ネジを廻す向きに、電流を取り巻くような磁界ができる）は必然にリング円内を図の左向きへ貫通します。つまりその磁束密度はリング円内で高まります。リングはその結果内側から外側に拡張させる向きの力をうけるのです。 これはまるで去ろうとする者を引き戻すときの筋肉のようですね。筋肉は太くなって筋繊維を縮めます。 場面③ つぎに、磁石のＳ極側が接近するときはどうでしょうか。リング内に磁石がつくっている磁束の向きは図で右向きです。  図３リングは近づいてくる磁石のＳ極に対抗して磁石の側へＳ極をつくろうとし、左向きの磁界をつくるのです。導線に発生する電流の向きは①とは逆になります。近づく磁石に反発しましてリングはその反力をうけ左への加速をうけます。 磁束の密度はリングの外側で密、内側で疎となり、リングは外から内への力をうけ圧縮されます。 リングに作用する力は①の場合と同じです。 |
場面④ 最後に、磁石のＳ極側が遠ざかるときはどうでしょうか。リング内に磁石がつくっている磁束の向きは③と同様、右向きです。 図４後退しつつあるＳ極を引きとめようとして、コイルは相手Ｓに対してＮ極をつくろうとする向きの電流を発生させましょう。リング円の内側で右向きの磁界をつくります。導線に発生する電流の向きは③とは逆です。リングに作用する力は②と同様で、遠ざかる磁石を引き戻そうとし、リングはその反力をうけ右方への加速をうけましょう。 これらのことを次にまとめておきます。 |
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…………まとめ…………
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