リニアモーターカーの秘密に迫る！金属棒の冒険で解き明かす電磁気のナゾ（高校物理）
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験！
電車が鉄のレールの上を、まるで滑るように静かに加速していく…。そんな未来の乗り物「リニアモーターカー」の心臓部には、実は電気と磁石が織りなす不思議な力が隠されています。
今回は、その基本原理がギュッと詰まった「コの字型回路」の謎解きに挑戦してみましょう！一見するとただの物理問題ですが、ここには未来のテクノロジーに繋がる壮大な物語が隠されているんですよ。
※抵抗がついているだけの問題パターンはこちらをご覧ください。
【挑戦状】金属棒の冒険が、今始まる！
図のように、コの字型のなめらかなレールの上に、自由に動ける金属の棒（長さL[m]、抵抗R[Ω]）が置かれています。この世界は、磁束密度B[T]の磁場が下から上へ貫いています。
レールに起電力E[V]の電池をつなぐと、金属棒の冒険が始まりました。さあ、次の謎を解き明かしてください！
(1) 金属棒は左右のどちらに動き始めますか？
(2) 金属棒が速さv[m/s]で動いているとき、彼の中に生まれる「誘導起電力」の大きさは？
(3) (2)のとき、回路に流れている電流の大きさは？
(4) (2)のとき、金属棒が磁場から受ける力の大きさは？
(5) やがて金属棒の速さは一定になりました。このとき、回路に流れる電流の大きさは？
(6) (5)のときの金属棒の最終的な速さv₀[m/s]を求めなさい。
解答・解説：金属棒の冒険を追いかけよう！
(1) 旅の始まりは「フレミングの左手」が決める！
まず、電流は電池のプラス極から出て、金属棒を手前から奥に向かって流れますね。電流が磁場の中を流れるとき、そこには力が生まれます。この力の向きを知る魔法の呪文が「フレミング左手の法則」です！
左手でピストルの形を作り、「電（中指）・磁（人差し指）・力（親指）」と覚えてみましょう。
電流の向き（中指）：手前から奥
磁場の向き（人差し指）：下から上（裏から表）
力の向き（親指）：右向き
答えは右向きです。金属棒は右へ冒険を始めます！
ちなみに、ミクロの世界では、電流の正体であるプラスの電荷一つひとつが磁場から右向きの力（ローレンツ力）を受けています。この小さな力の合計が、金属棒全体を動かす大きな力（F=LIB）になるのです。
(2) 進むほど強くなる「見えない向かい風」
金属棒が右に速さvで動くと、不思議な現象が起こります。金属棒の中の電荷も、右に速さvで動くことになりますね。
すると、今度はこの「右向きの速度」に対してローレンツ力が働き、電荷は手前方向に力を受けます。
これは、もともとの電流（奥向き）とは逆向きに電流を流そうとする力、つまり**「逆向きの電池」**が金属棒の中に生まれることを意味します。これが誘導起電力（逆起電力）です。まるで冒険の行く手を阻む「向かい風」のようですね。
この誘導起電力の大きさは公式より V = BLv となります。速く動くほど、向かい風（ブレーキ）が強くなるのが最大のポイントです！
(3) 電池と向かい風のせめぎ合い！
回路全体を見てみましょう。元の電池(E)と、金属棒の中にできた逆向きの電池(BLv)がせめぎ合っています。
回路の電圧の合計は E – BLv となり、金属棒の抵抗はRなので、オームの法則（またはキルヒホッフの法則）から、流れる電流Iは、
となります。
(4) そのときの推進力は？
金属棒が受ける力の大きさは F = LIB の公式で求められます。(3)で求めたIを代入しましょう。
速さvが大きくなるほど、電流Iが小さくなり、前に進む力Fも弱まっていくことがわかりますね。
(5), (6) 冒険の終わり、安住の地へ
やがて金属棒の速さが一定になった、とはどういうことでしょう？
これは、加速も減速もしなくなった、つまり力がつり合った状態になったということです。この場合、金属棒に働く力（F=LIB）が０になったことを意味します。
LもBも0ではないので、電流Iが0になったということです！
では、なぜ電流が0になったのでしょうか？
(3)の電流の式を見てみましょう。
このIが0になるのは、分子の E – BLv が0になるとき。つまり、
E = BLv₀
となったときです。
元の電池の力と、向かい風である逆起電力が完全につり合ったのです！このときの速さv₀を終端速度といい、式を解くと、
となります。これぞ金属棒がたどり着いた安住の地、一定速度の世界です。
まとめ：日常に隠れる「逆起電力」
いかがでしたか？この現象は、実は私たちの身の回りにあるモーターの原理そのものです。モーターは回り始めるときに一番大きな電流が流れますが、回転が速くなるにつれて逆起電力が大きくなり、電流は安定します。もしモーターが何かに引っかかって止まってしまうと、逆起電力がなくなり大電流が流れて壊れてしまうことがあるのは、このためなのです。
物理の法則は、未来の技術から日常の道具まで、あらゆるところに繋がっています。段階を追って物語のように考えると、きっと面白さが見えてきますよ！
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