IGCSE、A-Level & AP IGCSE, A-Level & AP シートプレビュー

Magnetism and electromagnetism

AQA · GCSE · Physics · トピック 7

查看幻灯片 練習する
7.1

磁気と電磁気：電流による運動

動く磁石は電流を生じ、電流は運動を生じる。すべてのモーター、発電機、発電所、スピーカーはこのトピックに属する。この参照資料はAQA GCSE Physics 8463、トピック 4.7 磁気と電磁気を網羅している。

試験におけるこのトピックの扱い方：

  • Paper 2 はこのトピックを含む。$F = BIl$ と2つの変圧器方程式は添付シートに記載されている。
  • フレミングの左手則、モーター、スピーカー、誘導起電力、交流発電機・直流発電機、マイク、変圧器はHTのみ；4.7.3以降の内容はすべて物理のみである。
  • 磁場パターンを描くこと: 棒状磁石、直線導体、ソレノイド。
7.1

永久磁石と誘導磁石、磁場
シラバス

Permanent and induced magnetism, magnetic forces and fields (AQA 8463 statement 4.7.1).

  1. Describe attraction and repulsion between permanent magnet poles as a non-contact force.
  2. Distinguish permanent from induced magnets, and recall that induced magnetism always causes attraction.
  3. Describe the magnetic field and its direction; recall the four magnetic materials.
  4. Explain how a plotting compass shows field directions, and the compass evidence for the Earth's field.

出典: Cambridge International シラバス

  • 極: 磁力が最も強い場所。

NからSへの棒状磁石の磁力線 同名極は反発し、異名極は吸引する — これらは非接触力である。

  • 永久磁石 は自身の磁場を持つ。誘導磁石 は磁場内にある間だけ磁石となり、誘導磁性は常に吸引力を示す（取り外すと磁性を失う）。
  • 磁場とは、他の磁石や磁性材料（鉄、鋼、コバルト、ニッケル）に力が働く領域である。磁石は常に磁性材料を吸引する。
  • 磁場は極で最も強く、方向はその地点における北極に働く力の方向とする。磁力線は北→南へ向かう。
  • コンパスは小さな棒状磁石であり、地球の磁場に沿って指す——地球に磁場がある証拠である（地球の核心は巨大な磁石のように振る舞う）。

磁場のプロット方法: 磁石の近くに小さなプロット用コンパスを置き、針の両端に印をつける。コンパスを移動させて尾部を最後の印に合わせ、繰り返し印をつけ、点を結ぶ。鉄粉を使用すれば一瞬で全体のパターンが見える。

7.2

電磁気
シラバス

Electromagnetism and the motor effect, HT (AQA 8463 statements 4.7.2.1-4.7.2.4).

  1. Describe the magnetic field around a current-carrying wire and the strong uniform field inside a solenoid; explain electromagnets.
  2. Draw the field patterns for a straight wire and a solenoid with directions.
  3. Apply Fleming's left-hand rule and F = BIl to conductors at right angles to a field.
  4. Explain the rotation of a motor coil and the role of the split-ring commutator.
  5. (Physics only) Explain how loudspeakers and headphones convert current variations to sound pressure variations.

出典: Cambridge International シラバス

電流を流す導体の周囲には磁場が生じる（同心円状；右手の握り法则—親指を電流の向きに、指を磁場の向きに曲げる）。電流量が多いほど強くなり、導体から遠ざかるほど弱くなる。

線をソレノイドに曲げる：

直線導体とソレノイドの磁場。
  • ループの磁場が加算され、内部は強く均一な磁場になります；
  • 外部では、形状が棒状磁石に似ます；
  • 鉄芯を加えるとさらに強力になり、これは電磁石です。

電磁石は電流によってON/OFFや強さを変えられるため、リサイクル工場やリレーで永久磁石より優れています。

語彙 練習する
English 日本語
poles/pəʊlz/ 磁極
permanent magnet/ˈpɜːmənənt ˈmæɡnɪt/ 永久磁石
induced magnet/ɪnˈdjuːst ˈmæɡnɪt/ 誘導磁石
magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ 磁場
solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ ソレノイド
electromagnet/ɪˌlektrəʊˈmæɡnɪt/ 電磁石
magnetic flux density/mæɡˈnetɪk flʌks ˈdensɪti/ 磁束密度
7.2

モーター効果 (HT)
シラバス

Electromagnetism and the motor effect, HT (AQA 8463 statements 4.7.2.1-4.7.2.4).

  1. Describe the magnetic field around a current-carrying wire and the strong uniform field inside a solenoid; explain electromagnets.
  2. Draw the field patterns for a straight wire and a solenoid with directions.
  3. Apply Fleming's left-hand rule and F = BIl to conductors at right angles to a field.
  4. Explain the rotation of a motor coil and the role of the split-ring commutator.
  5. (Physics only) Explain how loudspeakers and headphones convert current variations to sound pressure variations.

出典: Cambridge International シラバス

磁場内を流れる電流を持つ導体には力が働きます（モーター効果 — 磁場、磁石、導体は互いに押し合います）。

フレミングの左手則：親指 = 力、人差し指 = 磁場（N→S）、中指 = 電流 — これら3つは互いに直角です。

フレミングの左手則。
$$F = BIl$$
  • $F$ 力の単位 N；$B$ 磁束密度 の単位 テスラ T；$I$ 電流の単位 A；$l$ 磁場内の導体の長さ m。
  • 大きな力になる条件：強い磁場（大きい$B$）、大きい電流、長い導体。導体が磁場に対して直角のときに最大となります。

電動機：磁場内のコイルを流れる電流により、両側が逆向きの力を受け回転します。

スプリットリングコンメータ付きのモーターコイル。 スプリットリングコンメータは半回転ごとに電流を反転させ、回転を続けます。

スピーカー（物理学のみ）：磁場内のコイルを交流が流れると振動し、锥体が空気を押して圧力変化 — 音波を生みます。周波数は信号に一致します。

7.3

ガイナート効果（物理学のみ、HT）
シラバス

Induced potential, transformers and the National Grid, physics only and HT (AQA 8463 statement 4.7.3).

  1. State the conditions for the generator effect and the factors affecting the size and direction of the induced pd.
  2. Explain alternators (ac) and dynamos (dc) and interpret their pd-time graphs.
  3. Explain how moving-coil microphones convert sound to current variations.
  4. Use the transformer turns and power equations; explain induction between coils and the advantage of high-pd transmission.

出典: Cambridge International シラバス

導体が磁場に対して相対的に動くか、周囲の磁場が変化する時、起電力が生じます。回路が完結している場合、電流が流れます — これがガイナート効果です。

  • 誘導電流自体の磁場は、それを作った変化を妨げようとする方向に働きます。
  • 大きな誘導PDとなる条件：速い動き、強い磁場、多くの巻数。方向が反転する条件：運動方向または磁極の極性の逆転。

オルタネーター（交流発電機）：コイルが磁場内で回転すると、半回転ごとに誘導PDの方向が反転するため、PD-時間グラフはゼロを横切る繰り返しの波形になります。

交流発電機と直流ダイナモのグラフ比較。 ダイナモ（直流）：分割環コメューテータが半回転ごとに接続を反転させ、出力はゼロの一側で留まる（常に正の、ピクセル状のグラフ）。

マイク：スピーカーの逆操作である。音圧の変化が磁場内のコイルを動かし、変化する電流を誘導して音に追従する。

7.3

トランスフォーマー（物理のみ、HT）
シラバス

Induced potential, transformers and the National Grid, physics only and HT (AQA 8463 statement 4.7.3).

  1. State the conditions for the generator effect and the factors affecting the size and direction of the induced pd.
  2. Explain alternators (ac) and dynamos (dc) and interpret their pd-time graphs.
  3. Explain how moving-coil microphones convert sound to current variations.
  4. Use the transformer turns and power equations; explain induction between coils and the advantage of high-pd transmission.

出典: Cambridge International シラバス

トランスフォーマー： primary coil と secondary coil は鉄芯（容易に磁化される；層間絶縁は不要）に巻かれている。

二つの数式付きトランスフォーマー。

primary coil に交流がかかると、core に変化する磁界が生じ、その変化が secondary coil で交流電圧差を誘起する。

$$\frac{V_p}{V_s} = \frac{n_p}{n_s} \qquad V_s I_s = V_p I_p \; (100\%\ \text{efficient})$$
  • 昇圧： $V_s > V_p$（secondary coil の巻数が多い）。降圧： $V_s < V_p$。
  • 二番目の数式は「入力電力＝出力電力」であり、これを使って入力電源から引き出される電流を求める。

** worked example。** トランスフォーマーには primary coil が 345 巻、secondary coil が 6000 巻あり、入力は 230 V である。

$$\frac{230}{V_s} = \frac{345}{6000} \quad\Rightarrow\quad V_s = 230 \times \frac{6000}{345} = 4000\ \text{V (a step-up)}$$

** worked example（電力）**。 そのトランスフォーマーは 50 mA、4000 V で供給している。

  • 出力電力： $P = V_sI_s = 4000 \times 0.050 = 200$ W。
  • 入力電流： $I_p = P/V_p = 200/230 = 0.87$ A。

National Grid の物語は閉じる：送電前に昇圧（電流が少ないため→$P = I^2R$損失が激減）、家庭用は降圧（ topic 2.7 を参照）。

語彙 練習する
English 日本語
transformer/trænsˈfɔːmə/ トランスフォーマー
7.3

このトピックの学習完了チェックリスト
  • ポール則を述べ、永久磁石と誘導磁石を区別せよ。
  • 棒型磁石、直線導体、ソレノイドの磁場パターンと方向を描き、コンパス・地球との関連を説明せよ。
  • （HT）Fleming の左手則と $F = BIl$ を使い、モーターとコメューテータを説明せよ。
  • （物理のみ、HT）ジェネレーター効果の条件と対向する誘導磁界を述べ、アルタネーターとダイナモのグラフを区別し、マイクの原理を説明せよ。
  • （物理のみ、HT）両方のトランスフォーマー数式を使い、コイル間の誘起とGridの利点を説明せよ。

AQA · GCSE · Physics の他のトピック

ログインまたはアカウント作成

IGCSE, A-Level & AP