Physic Labs

電磁気学

磁場と磁気力

運動する電荷と電流を流す導線に働く磁力を調べます。F=qvBsin⁡θF = qvB\sin\theta と F=BIlsin⁡θF = BIl\sin\theta を確かめ、磁場を変えたときの曲がった／サイクロトロン軌道を観察します。

高等学校

器具

  • 磁場中の荷電粒子・導線のモデル
  • 磁場 B と角度/速度のスライダー
  • B・θ に対する F の定量グラフ

手順

  1. 磁場を変える

    図1で「磁場／レベル」スライダーを動かし、粒子の軌道を見ます。B が大きいほど r=mv/(qB)r = mv/(qB) により半径は小さくなります。読み取り値を記録し、(B, r) の組を2組取ります。各図の「一時停止」で正確に読み取れます。

  2. 角度依存性を確認

    「角度／速度」スライダーで v⃗\vec v（または電流 I）と B⃗\vec B のなす角を変えます。図2で F=BIlsin⁡θF = BIl\sin\theta を確かめます。F は θ=90°\theta = 90° で最大、平行では0です。速度を変えると単一電荷で F∝vF \propto v が分かります。

  3. 手の法則と予測

    各スライダーを動かす前に、左手の法則（F⃗=qv⃗×B⃗\vec F = q\vec v \times \vec B）で力の向きを予測し、シミュレーションと照合します。電荷の符号（v か B の向き）を反転すると力も反転します。結論：磁力は常に速度に垂直で仕事をせず、軌道を曲げるだけです。

シミュレーション

実験の歴史

1820年、ハンス・クリスチャン・エルステッドは電流が方位磁針を偏向するのを発見し、電気と磁気の最初の結び付きを示しました。数週間のうちにアンドレ＝マリー・アンペールは平行な電流を流す導線間の力を測り、電流相互作用の法則を築きました。ビオとサヴァールは電流要素まわりの場の式 dB∝I dlsin⁡θ/r2dB \propto I\,dl\sin\theta/r^2 を与えました。 1895年、ヘンドリック・ローレンツは電気力と磁力を合わせた一般形 F⃗=qE⃗+qv⃗×B⃗\vec F = q\vec E + q\vec v \times \vec B を書き、今日も使われる「ローレンツ力」となりました。J.J.トムソンは電場・磁場による陰極線の偏向（1897年）で e/me/m を測り粒子物理学の時代を開きました。同じ原理がサイクロトロン（ローレンス、1930年）や質量分析計の基礎です。

関連する物理学者

マイケル・ファラデーJames Clerk Maxwell

関連するライブラリのトピック

磁場と磁気力