電磁石の仕組みとその魅力的な用途
電磁石とは、電流が流れることによって磁力を発生する磁石のことです。一般的な磁石と同様に、鉄などの磁性体を吸引することができますが、電流を止めると磁力が消失します。これは、電磁石の磁力が、コイルに流れる電流によって発生するためです。
■電磁石の原理とは？
電磁石の原理は、アンペールの法則（右ねじの法則）に基づくものです。アンペールの法則は、電流を流す導体の周りに磁場が発生することを示しています。この磁場は、導体に流れる電流の方向に対して垂直な方向に生じます。電磁石は、この原理を利用して、電流を流すことにより磁力を発生させます。
■電磁石の基本的な性質と電流の働き
電磁石の基本的な性質として、電流が流れている限り磁力が発生し、電流が止まると磁力が消失することが挙げられます。また、電磁石の磁力は、電流の強さやコイルの巻き数に比例します。このため、コイルを用いた電磁石の強化方法は、コイルの巻き数を増やす方法や、コイルに鉄心を入れる方法があります。
ただし、コイルの巻き数を増やすためにエナメル線を長くすると、電気抵抗も増えて電流が弱くなるため注意が必要です。また、コイルに鉄心を入れると磁場の密度が増すため、磁力が強くなります。
電磁石のメリット
■吸着や保持に優れる
電磁石は、磁力が強く吸着や保持に優れています。そのため、電磁石を利用したドアの施錠装置やストッパー、工場などでの運搬・移動用機器、鉄板や鉄屑を運搬するクレーンなどで広く利用されています。また、吸着力が必要なロボットアームの先端にも使われており、高精度な作業も可能です。
■ON/OFFの切り替えが簡単
電磁石は、電流をON/OFFするだけで磁力を制御することができます。そのため、鉄板や鉄屑を運搬するクレーンであれば、スイッチONで吸着、OFFで開放することで仕分け作業、分別作業などが可能です。また、磁力を強めたり弱めたりすることで、吸着力を制御することができます。
■長時間にわたって磁力を維持できる
電磁石は、電流を流し続けていれば鉄心が磁化されたままになります。通電中は内部で熱が発生するため、磁力を維持するために外部から冷却が必要です。この冷却を効果的に行うことで、電磁石は長時間にわたって磁力を維持することができます。
■電磁石の大きさや形状を自由に設計可能
電磁石は、コイルと磁性体で構成されています。コイルの形状や巻き数、電流の強さなどを調整することで、電磁石の強さを変えることができます。また、磁性体の形状や大きさを変えることで、電磁石の特性をカスタマイズすることが可能です。このように、磁性体の大きさや形状を自由に設計することで、目的に合わせた最適な電磁石を作ることができます。
■機械的な動作や摩耗を抑えられる
電磁石は、吸着力や保持力に優れているため、機械的な動作や摩耗を抑えることが可能です。例えば、電磁石を使って物体を吸着して持ち上げた場合、物体を把持するよりも機械的な動作に必要な部品を減らせます。機械的な摩耗を抑えられるため、故障率が低くなるというのもメリットです。
電磁石のデメリット
■常に電力供給が必要
電磁石は、電流が通る導線を巻いたコイルと、そのコイルに流れる電流が発生させる磁力で作られています。そのため、電磁石を使用する場合は、常に電力供給が必要になります。つまり、電流が通じない状況では磁力を発生させることができません。そのため、電磁石を使う際には、電源の確保や配線の設置などが必要になります。
■周囲の金属や電子機器に影響を与える可能性がある
電磁石は、磁力を発生させるため、周囲の金属や電子機器に影響を与える可能性があります。特に、強力な磁力を発生する場合には、近くにある電子機器に悪影響を与えることがあります。そのため、電磁石を使用する場合は、電子機器との距離を取る、距離が取れない場合は、シールド板（磁性板）等で遮断する等、使用条件にあわせて適切な対策を講じることが必要です。
■温度変化に敏感
電磁石は、電流が流れることで熱が発生し、温度が上昇します。また、外部からの温度変化にも敏感で、温度が上昇すると磁力が弱くなることがあります。そのため、電磁石を使用する場合は、周囲の温度や熱源からの距離に十分な注意が必要です。また、適切な冷却装置なども必要になる場合があります。
直流電磁石と交流電磁石について
■直流電磁石と交流電磁石の違いとは？
直流電磁石と交流電磁石の違いは、電力の供給方法です。直流電磁石は、電流の極性が一定である直流電流を使用しています。一方、交流電磁石は、電流の極性が定期的に変化する交流電流を使用します。
■直流電磁石と交流電磁石の使い分け
直流電磁石は、極性の一定した直流電流をかけるため、吸引力の脈動による唸りがありません。そのため、電磁石を使用して重量物を吊り上げるリフティングマグネットなど大型のものに使用されます。一方、交流電磁石は、商用電源を直接利用できる利便性と応答性の速さから、電磁接触器やリレーなど小型のものに使用されます。
電磁石を活用した最先端技術
■エコなエネルギー技術
電磁石は、エネルギー変換技術において重要な役割を果たしています。例えば、風力発電機や水力発電機など、再生可能エネルギーを発電する装置には、電磁石が使用されています。また、スマートグリッドと呼ばれるエネルギー管理システムに必要不可欠なスマートメーターのラッチングリレーにも、電磁石は使われ、電力の安定供給や効率的なエネルギー使用の一端を担っています。
■輸送システム
磁気浮上式鉄道などの高速輸送システムにおいても、電磁石が重要な役割を果たしています。例えば、リニアモーターカーは、超伝導材料を使用した電磁石を用いて、非常に高速で走行することが可能です。また、電気自動車などの車両のモーターにも、電磁石が使用されています。
■医療技術の進化
MRI（磁気共鳴画像診断）は、超電導電磁石を利用して人体内部の画像を撮影する技術です。MRIは、X線などの放射線を使用しないため放射線被曝することなく、がんやその他の疾患の診断に非常に有用です。また、神経細胞を刺激することで、脳や神経系の疾患を治療する磁気刺激療法もあります。
