無限に長い直線状導体に直流電流を流すと,導体の周りに磁界が生じる。この磁界中に小磁針を置くと,小磁針の[ア]は磁界の向き…
理論 第3問
無限に長い直線状導体に直流電流を流すと,導体の周りに磁界が生じる。この磁界中に小磁針を置くと,小磁針の[ア]は磁界の向きを指して静止する。そこで,小磁針を磁界の向きに沿って少しずつ動かしていくと,導体を中心とした[イ]の線が得られる。この線に沿って磁界の向きに矢印をつけたものを[ウ]という。また,磁界の強さを調べてみると,電流の大きさに比例し,導体からの[エ]に反比例している。上記の記述中の空白箇所(ア)~(エ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。
- (1)(ア): N 極 (イ): 放射状 (ウ): 電気力線 (エ): 距離の2 乗
- (2)(ア): N 極 (イ): 同心円状 (ウ): 電気力線 (エ): 距離の2 乗
- (3)(ア): S 極 (イ): 放射状 (ウ): 磁力線 (エ): 距離
- (4)(ア): N 極 (イ): 同心円状 (ウ): 磁力線 (エ): 距離
- (5)(ア): S 極 (イ): 同心円状 (ウ): 磁力線 (エ): 距離の2 乗
正答 (4)
正答は (4)。
【空白(ア) N極】
磁界の向きは、磁界中に置いた小磁針のN極が指す向きと定義されています。磁石のN極から出てS極に入るのが磁力線ですから、磁界の向きを指すのはN極のほうです。よって(ア)を「S極」としている(3)(5)は外れます。
【空白(イ) 同心円状】
無限に長い直線状の導体に直流電流を流したとき、その周りにできる磁界は、導体を中心とする同心円状になります。右ねじの法則(アンペアの右ねじの法則)で表されるとおり、右ねじを電流の向きに進めるときのねじの回る向きが磁界の向きです。放射状になるのは点電荷が作る電界であって、電流が作る磁界ではありません。よって(イ)を「放射状」としている(1)(3)は外れます。
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【空白(ウ) 磁力線】
磁界の向きに沿って引いた線に矢印を付けたものを磁力線といいます。電気力線は電界の様子を表す線で、正電荷から出て負電荷に入ります。磁力線には端がなく、必ず閉じた輪になるという違いもあります。よって(ウ)を「電気力線」としている(1)(2)は外れます。
【空白(エ) 距離】
無限長直線電流が作る磁界の強さH は、アンペアの周回積分の法則から求められます。導体から距離r の点を通る半径r の円周に沿って考えると、円周上ではH の大きさが等しく向きも円に沿っているので
H × 2 × 円周率 × r = I
H = I ÷ (2 × 円周率 × r)
すなわち電流I に比例し、距離r に反比例します。距離の2乗に反比例するのは、点電荷の作る電界や、点磁極どうしに働く力(逆2乗の法則)であって、直線電流の磁界ではありません。この違いは、電流が線状に無限に続いているため、影響が円筒状に広がって面積が半径の1乗でしか増えないことによります。点から広がる場合は球面なので半径の2乗で増え、逆2乗になります。
【結論】
N極・同心円状・磁力線・距離 の組合せをもつ (4) が正答です。
出典:令和4年度下期第三種電気主任技術者 理論科目 問3(一般財団法人 電気技術者試験センター 公表)出典元ページ
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