「磁石はなぜ鉄を引きつけるのか？」——磁石のまわりに広がる磁場の概念を理解しましょう。
下の図で、磁石の磁力線と方位磁針の向きを確認しよう。クリックして方位磁針を置くと、磁場の向きがわかります。
棒磁石で砂鉄を引きつけると、両端付近に多く付着します。この部分を磁極といい、引きつける力を磁気力といいます。
磁極には N極 と S極 の2種類があります。地球上で磁針を観察すると、北をさす磁極がN極、南をさす磁極がS極です。
N極とS極は必ず対で存在し、片方の磁極だけの磁石（磁気単極子）は存在しません。磁石を分割しても、それぞれがN極とS極をもちます。
磁極どうしにはたらく力は、同種の極どうしは斥力、異種の極どうしは引力となります。
電場と同じように、磁気力が及ぶ空間には磁場（または磁界）が生じているといいます。N極が磁気力を受ける向きを磁場の向きと定めます。磁場が強い所ほど、磁極が受ける力は大きくなります。
磁場の中で小磁針のN極がさす向きをなめらかにつないだ線を磁力線といいます。
下のシムで磁力線の3D構造を自由に回転して観察しましょう。平面図では見えない「磁力線が立体的に空間を包み込む様子」がわかります。
| 組み合わせ | 力の種類 | 磁力線の様子 |
|---|---|---|
| N極 − S極 | 引力（引きあう） | N極からS極へつながる |
| N極 − N極 | 斥力（反発する） | 互いに避けあう |
| S極 − S極 | 斥力（反発する） | 互いに避けあう |
地球は内部の液体鉄の対流によって磁場をつくっています。方位磁針のN極が北を向くのは、地理的な北極付近に磁石のS極があるからです。地磁気は約80万年ごとに逆転してきた歴史があります。
磁石がつくる磁場を学びました。実は、磁石がなくても電流を流すだけで磁場が生まれます。「電流を流すと磁針が振れる」——1820年にエルステッドが発見したこの事実から、電流と磁場の関係を学びましょう。
十分に長い導線に電流を流すと、導線のまわりに同心円状の磁場ができます。
円形の導線（コイル）に電流を流すと、コイルの中心における磁場の向きはコイルの面に垂直になります。
導線を密に巻いた十分に長い円筒状のコイルをソレノイドといいます。ソレノイドに電流を流すと、内部には軸に平行な一様な磁場ができます。
超電導リニアモーターカーは、強力な超電導電磁石で車両を浮上させ、磁場の力で推進します。超電導状態では電気抵抗がゼロになるため、一度流した電流が減衰せず、非常に強い磁場を維持できます。
電流が磁場をつくることがわかりました。では逆に、磁場の中に置かれた電流はどうなるでしょうか。「磁石の間に電流を流すとどうなる？」——この電流と磁場の相互作用がモーターの原理になります。
磁場の中に置かれた導線に電流を流すと、導線は力を受けて動きます。この力の向きは、電流の向きと磁場の向きのいずれにも垂直です。
電流の向き、または磁場の向きが逆になると、力の向きも逆になります。
力の大きさは、電流が大きいほど、磁場が強いほど、磁場中の電流部分が長いほど大きくなります。
電流の向き、磁場の向き、力の向きの関係は、左手の3本の指で表せます。
直流モーターは、電流が磁場から受ける力を利用してコイルを回転させる装置です。
電流が磁場から受ける力は、モーター以外にもスピーカー（音の振動を生む）、電磁ブレーキ、MRI（核磁気共鳴画像法）など多くの技術に応用されています。
1820年、デンマークのエルステッドは講義の実演中に、電流を流した導線の近くの方位磁針が動くことを偶然発見しました。これが「電流が磁場を作る」ことの最初の実験的証拠で、電気と磁気が関連していることを示した歴史的発見です。この発見がファラデーやマクスウェルの研究につながりました。
「電流→磁場」「磁場→電流に力」という関係を学びました。さらに驚くべきことに、「磁場の変化→電流が発生」という逆方向の現象もあります。この電磁誘導の発見は、発電の原理そのものです。
下のシミュレーションで、電磁誘導を体験しよう。磁石をドラッグしてコイルに近づけたり遠ざけたりすると、誘導電流が流れます。
コイルの内側の空間の磁場が変化すると、コイルに電圧が生じます。この現象を電磁誘導といい、生じた電圧を誘導起電力、流れる電流を誘導電流といいます。
誘導起電力の大きさは、単位時間当たりの磁力線の数の変化が大きいほど、またコイルの巻数が多いほど大きくなります。
誘導電流は、それによってつくられる磁力線が、外部からの磁力線の数の変化を打ち消す向きに流れます。これをレンツの法則といいます。
直流モーターのコイルに力を加えて回転させると、コイル面を貫く磁力線の数が連続的に変化するため、誘導起電力が生じ続けます。つまり、モーターは発電機としてもはたらくのです。
1831年、イギリスのファラデーは「電流が磁場をつくるなら、磁場から電流をつくれるはずだ」と考え、実験に成功しました。製本職人から独学で科学者になったファラデーは、数学を使わず直感的に「力線」の概念を生み出した天才です。
大学入試で頻出のテーマと解法のポイントを整理しよう。
直線電流のまわりの磁場の向き（右ねじの法則）、コイルが作る磁場の向き（右手の法則）は入試の基本です。電流の向きに右ねじを回すと、ねじが進む向きが磁場の向きです。ソレノイド（コイル）の場合は、4本の指を電流の向きに巻くと親指が N 極の方向を示します。
磁場中の直線電流が受ける力の向きは、左手の3本の指で判定する。
中指＝電流 I、人差し指＝磁場 B、親指＝力 F
ポイント：電流の向きを逆にすると力の向きも逆。磁場の向きを逆にしても力の向きが逆。問題では「電流・磁場の向き」から「力の向き」を問うパターンが多い。
コイルを貫く磁力線の数が変化するとき、誘導電流はその変化を打ち消す向きに流れる。
磁力線が増加 → 増加を妨げる（逆向きの磁場をつくる）方向に誘導電流
磁力線が減少 → 減少を補う（同じ向きの磁場をつくる）方向に誘導電流
判定手順：①磁力線の変化を確認 → ②打ち消す磁場の向きを決定 → ③右手の法則で電流の向きを決定