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特に消防設備士は過去問が公開されてない分、情報を集められたらそのまんま出るから全部ここで教えるわな！
本記事の信頼性
この記事をみれば消防設備士試験に出てくる電気に関する基礎的知識の "電流と磁界・電磁誘導" がサービス問題になるはず！
最新ver.の過去問情報は、青木マーケ(株)noteの消防設備士「過去問テスト」で毎年更新しています。
👆併せて、ご参照ください。
この記事では、消防設備士試験の「電気に関する基礎的知識」で毎年のように出題される電流と磁界・電磁誘導を解説します。
キーワードは 右ねじの法則、フレミング左手・右手、ファラデー、レンツ の4つです。この分野は計算そのものは掛け算だけで済むのに、「向き」を問う問題で毎回どちらの手か分からなくなる人が非常に多いところです。逆に言えば、手の使い分けさえ体に入れてしまえば、まるごと得点源にできます。
電流と磁界の基本
磁石どうしは、引きつけ合ったり反発し合ったりします。これは磁石の両端にある磁極の間に磁気力が働いているからです。この磁極の強さ（磁気量）を表す単位がウェーバ〔Wb〕です。
そして、磁極のまわりの空間は磁石によって変化しており、そこに別の磁極を置くと力を受けます。この「磁力を及ぼす空間」のことを磁界といいます。磁界のようすを目に見える形で表したものが磁力線で、N極から出てS極に入る向きに描きます。
磁力線には、電気力線とそっくりの性質があります。途中で交差しない・枝分かれしない、そして密に集まっているところほど磁界が強い——この3点です。電気力線とセットで覚えてしまうのが効率的です。
押さえるのはこれだけ
・磁気量（磁極の強さ）＝ ウェーバ〔Wb〕
・磁界の強さ H ＝ アンペア毎メートル〔A/m〕……1Wbの磁極が受ける力で定義
・磁束密度 B ＝ テスラ〔T〕……1Aが流れる導線1mが受ける力で定義
ここで、よく似た2つの言葉が出てきます。磁界の強さ H〔A/m〕と磁束密度 B〔T〕です。どちらも「磁界の強さ」を表しているのですが、定義のしかたが違います。
H は1Wbの磁極を置いたときに受ける力で決めた量、B は1Aの電流が流れる長さ1mの導線が受ける力で決めた量です。1A/m は「1Wbの磁極に1Nの力が働くときの磁界の強さ」、1T は「1Aが流れる導線1mに1Nの力が働くときの磁束密度」ということです。試験では計算より単位を選ばせる問題のほうが圧倒的に多いので、この対応をまず頭に入れてください。
アンペアの右ねじの法則と磁界の強さ
右ねじの法則の3つのポイント
じゅうぶんに長い導線に直流電流を流すと、そのまわりに同心円状の磁界ができます。この磁界の向きを決めるのがアンペアの右ねじの法則です。
①ねじの進む向き＝電流の向き
右ねじ（ふつうのねじ）を電流の流れる向きに進めるようにイメージします。このときねじを回す向きが磁界の向きになります。ねじが手元にないときは、右手の親指を立てて残りの4本を握り、親指を電流の向き、握った指の向きが磁界と覚えても同じことです。
②ドットとクロスで紙面の裏表を表す
向きの問題では、紙面に垂直な方向を記号で表します。ドット（⊙）は紙面から手前に向かう向き、クロス（⊗）は紙面から奥に向かう向きです。矢が飛んでくるときは矢じり（点に見える）、飛んでいくときは矢羽根（×に見える）——このイメージで覚えると絶対に逆になりません。
③磁界の強さは距離に反比例する
直線電流から r〔m〕離れた点の磁界の強さは H ＝ I ÷ 2πr〔A/m〕です。電流に比例し、距離に反比例します。距離が2倍になれば磁界は1/2。クーロンの法則のような「2乗に反比例」ではないので、混同しないでください。
コイルの場合も考え方は同じです。円形コイルの中心の磁界は H ＝ NI ÷ 2r〔A/m〕（N＝巻数、r＝コイルの半径）、じゅうぶんに長いソレノイド（筒状コイル）の内部は H ＝ nI〔A/m〕（n＝1mあたりの巻数）となります。いずれも巻数と電流に比例するのが共通点です。
計算例：直線電流と円形コイルの磁界の強さ
【例題】（1）10Aの電流が流れる直線状の導線から20cm離れた点の磁界の強さを求めなさい（π＝3.14）。（2）半径10cm、巻数20回の円形コイルに2Aを流したとき、中心の磁界の強さを求めなさい。
①単位を m にそろえる
20cm ＝ 0.2m、10cm ＝ 0.1m。cm のまま代入すると100倍ずれるので、真っ先に直します。
②直線電流の公式に代入する
H ＝ I ÷ 2πr ＝ 10 ÷（2 × 3.14 × 0.2）＝ 10 ÷ 1.256 ≒ 約7.96 A/m
③円形コイルの公式に代入する
H ＝ NI ÷ 2r ＝（20 × 2）÷（2 × 0.1）＝ 40 ÷ 0.2 ＝ 200 A/m
【検算】（1）は距離を2倍の0.4mにすると H ＝ 10 ÷ 2.512 ≒ 3.98 A/m となり、ちょうど半分。距離に反比例という性質と合っています。（2）は1巻きだけなら H ＝ 2 ÷（2 × 0.1）＝ 10 A/m で、それが20巻きぶん重なって 10 × 20 ＝ 200 A/m。こちらも一致しました。
フレミングの左手の法則と電磁力 F＝BIL
磁界の中に導線を置いて電流を流すと、導線は力を受けて動きます。この力を電磁力といい、モーターが回る原理そのものです。
電磁力の公式と向き
・F ＝ BIL〔N〕 B：磁束密度〔T〕、I：電流〔A〕、L：磁界中にある導線の長さ〔m〕
・向きはフレミングの左手の法則：中指＝電流 I、人差し指＝磁界 B、親指＝力 F
・覚え方は「電・磁・力」。中指から順に電流 → 磁界 → 力と読む
左手の親指・人差し指・中指を、3本ともたがいに直角になるように開きます。中指を電流の向きに、人差し指を磁界の向き（N極からS極へ）に合わせると、親指が向いた方向が力の向きです。電磁力は、電流の向きにも磁界の向きにも直角になる——これがこの法則の本質です。
そして左手はモーター（電流を流して動かす）と結びつけてください。あとで出てくる右手は発電機です。この対応を最初に決めておくと、本番で迷いません。
計算例：導線に働く電磁力
【例題】磁束密度0.5〔T〕の平等磁界中に、磁界と直角になるように長さ40cmの導線を置き、8Aの電流を流した。導線に働く力の大きさを求めなさい。また、導線を磁界に対して30°傾けた場合はどうなるか。
①単位を m に直す
40cm ＝ 0.4m。ここでも真っ先に直しておきます。
②F＝BIL に代入する
F ＝ BIL ＝ 0.5 × 8 × 0.4 ＝ 1.6 N
③傾けた場合は sin をかける
磁界と導線のなす角が θ のときは F ＝ BIL sinθ となります。θ＝30° なら sin30°＝0.5 なので、
F ＝ 1.6 × 0.5 ＝ 0.8 N （直角のときが最大、平行なら 0）
【検算】定義に戻って確かめます。1T の磁界中で1A が流れる導線1m には1N の力が働きます。今回は B が0.5倍、I が8倍、L が0.4倍なので、1N × 0.5 × 8 × 0.4 ＝ 1.6N。一致しました。角度のほうも、θ＝90° を代入すると sin90°＝1 で F＝1.6N に戻るので、式の形も正しいことが確認できます。
使うときの注意点
注意1：L は「磁界の中にある部分の長さ」
導線全体の長さではありません。磁石の間に入っている部分だけが力を受けます。問題図で磁極にはさまれている区間を読み取るようにしてください。
注意2：右手でやってしまう
電磁力（モーター）は左手です。試験中は机の下でこっそり左手を開いて構いません。「電流を流して力が出る＝左手」と口に出して確認するクセをつけると事故が減ります。
注意3：磁界の向きをS極からにしてしまう
人差し指はN極 → S極の向きです。図に磁力線が描かれていないときは、まず自分でN極からS極へ矢印を書き込んでから手を当ててください。
注意4：F＝BIL の B に「磁界の強さ H」を入れてしまう
この式に入るのは磁束密度 B〔T〕です。問題文が〔A/m〕で与えてきたら、それは H なのでそのままでは使えません。単位が〔T〕かどうかを必ず確認してから代入しましょう。
電磁誘導とファラデー・レンツの法則
今度は逆に、磁界を変化させて電気を起こす話です。コイルに磁石を近づけたり遠ざけたりすると、コイルに電流が流れます。磁石を止めてコイルのほうを動かしても同じです。この現象を電磁誘導、生じる起電力を誘導起電力、流れる電流を誘導電流といいます。
ここで決定的に重要なのは、「変化」しているときだけ起電力が生じるという点です。磁石をコイルの中に入れたまま静止させると、磁束は貫いているのに起電力はゼロになります。試験ではここが集中的に狙われます。
電磁誘導の2つの法則
・ファラデーの電磁誘導の法則……誘導起電力の大きさは、コイルを貫く磁束の単位時間あたりの変化に比例する
・レンツの法則……誘導起電力は、コイルを貫く磁束の変化を妨げる向きに生じる
・式にまとめると e ＝ −N・ΔΦ/Δt〔V〕（N：巻数、ΔΦ：磁束の変化量〔Wb〕、Δt：時間〔s〕）
この1本の式に、2つの法則が同居しています。大きさを決めているのがファラデー（＝右辺の N・ΔΦ/Δt の部分）、向きを決めているのがレンツ（＝頭についているマイナス符号）です。「法則の名前を答えよ」という問題では、大きさの話ならファラデー、向きの話ならレンツと切り分けてください。
レンツの法則の考え方
レンツの法則は「妨げる」という一言に尽きます。コイルは現状維持したがると考えると分かりやすいでしょう。
N極を近づけると、コイルを貫く磁束が増えます。コイルは増えるのがイヤなので、それを打ち消す向きに磁束をつくる電流を流します。結果として、コイルの磁石側がN極になって磁石を押し返します。
逆にN極を遠ざけると磁束が減ります。今度は減るのを引き止める向きの電流が流れ、コイルの磁石側がS極になって磁石を引き留めようとします。近づけるときと遠ざけるときで、電流の向きは必ず逆になります。
計算例：ファラデーの法則で誘導起電力を求める
【例題】200回巻きのコイルを貫く磁束が、0.5秒間に 3 × 10⁻³〔Wb〕から 8 × 10⁻³〔Wb〕まで変化した。このとき生じる誘導起電力の大きさを求めなさい。
①磁束の変化量 ΔΦ を求める
ΔΦ ＝ 8 × 10⁻³ − 3 × 10⁻³ ＝ 5 × 10⁻³ Wb
変化量なので、引き算です。8のほうをそのまま使ってしまうミスが非常に多いところです。
②1巻きあたりの起電力を求める
ΔΦ ÷ Δt ＝ 5 × 10⁻³ ÷ 0.5 ＝ 0.01 ＝ 1 × 10⁻² V
③巻数を掛ける
e ＝ N × 0.01 ＝ 200 × 0.01 ＝ 2 V
【検算】一気に代入しても確かめられます。e ＝ 200 ×（5 × 10⁻³ ÷ 0.5）＝ 200 × 10⁻² ＝ 2V。一致しました。感覚的にも、1巻きで0.01Vしか出ないものを200枚重ねて2V——電池を直列につないだのと同じイメージです。なお答えるのは大きさなので、マイナス符号は付けません。
フレミングの右手の法則と e＝Blv
コイルの形が変わらなくても、磁束を切るように導体を動かせば起電力が生じます。これが発電機の原理です。
磁束密度 B〔T〕の磁界の中で、長さ l〔m〕の導体を磁界と直角方向に速度 v〔m/s〕で動かすと、Δt 秒間に導体が横切る面積は l × vΔt。したがって磁束の変化は ΔΦ ＝ Blv・Δt となり、ファラデーの式に入れると Δt が約分されて次の形になります。
動く導体の起電力
・e ＝ Blv〔V〕 B：磁束密度〔T〕、l：導体の長さ〔m〕、v：速度〔m/s〕
・向きはフレミングの右手の法則：親指＝導体の動く向き、人差し指＝磁界、中指＝誘導起電力
・覚え方は「右手（みぎて）の『ぎ』＝起電力（きでんりょく）の『き』」
左手と右手で、人差し指が磁界なのは共通です。変わるのは親指と中指の中身だけ、と整理すると混乱しません。
| 左手の法則（モーター） | 右手の法則（発電機） | |
|---|---|---|
| 中指 | 電流の向き | 誘導起電力の向き |
| 人差し指 | 磁界の向き | 磁界の向き |
| 親指 | 導体に働く力 | 導体の動く向き |
計算例：磁界中を動く導体の誘導起電力
【例題】磁束密度0.6〔T〕の平等磁界中に長さ50cmの導体を置き、磁界と導体の両方に垂直な向きに10〔m/s〕の速度で動かした。導体の両端に生じる誘導起電力の大きさを求めなさい。
①単位を m にそろえる
50cm ＝ 0.5m。速度が〔m/s〕なので、長さも m に統一します。
②e＝Blv に代入する
e ＝ Blv ＝ 0.6 × 0.5 × 10 ＝ 3 V
【検算】ファラデーの式から戻して確かめます。1秒間に導体が横切る面積は 0.5m × 10m/s ＝ 5m²。磁束の変化は 0.6T × 5m² ＝ 3Wb/s。1巻きなので e ＝ 3V。一致しました。e＝Blv は「1秒あたりに切った磁束の量」そのものだと分かると、公式を忘れても作り直せます。
自己誘導・相互誘導とインダクタンス／渦電流
電磁誘導は、外から磁石を近づけなくても起こります。コイル自身に流れる電流が変化するだけで、そのコイルに起電力が生じるのです。
自己誘導と相互誘導
・自己誘導……コイル自身の電流変化で、そのコイル自身に起電力が生じる
e ＝ −L・ΔI/Δt〔V〕 L：自己インダクタンス〔H：ヘンリー〕
・相互誘導……一次コイルの電流変化で、近くの別のコイルに起電力が生じる
e₂ ＝ −M・ΔI₁/Δt〔V〕 M：相互インダクタンス〔H〕
・単位はどちらもヘンリー〔H〕。1H ＝ 1秒間に1Aの変化で1Vを生じる大きさ
自己インダクタンス L は「そのコイルの電流変化しにくさ」を表す値で、L ＝ NΦ/I とも書けます。巻数を増やす・鉄心を入れる・断面積を大きくすると大きくなります。
相互インダクタンス M は、2つのコイルの結びつきの強さです。M ＝ k√(L₁L₂)（k：結合係数、0〜1）と表し、鉄心を共有して磁束が完全に共有されれば k＝1 に近づきます。変圧器（トランス）はこの相互誘導そのものです。
もうひとつ、渦電流も押さえておきましょう。導体の板やかたまりを磁束が貫き、その磁束が変化すると、板の中にうず巻き状の誘導電流が流れます。これが渦電流です。
渦電流もレンツの法則に従い、磁束の変化を妨げる向きに流れます。この電流は導体の抵抗でジュール熱になってしまうため、変圧器やモーターの鉄心では損失（渦電流損）として嫌われます。そこで鉄心は1枚の塊にせず、薄い鉄板を絶縁して積み重ねた成層鉄心にして、渦電流の通り道を細かく分断しています。逆にこの熱を積極的に利用したのが電磁調理器（IH）で、同じ現象を悪者にも役者にも使い分けているわけです。
計算例：自己誘導と相互誘導の起電力
【例題】（1）自己インダクタンス0.4〔H〕のコイルに流れる電流が、0.05秒間に3Aから1Aに変化した。生じる誘導起電力の大きさを求めなさい。（2）相互インダクタンス0.2〔H〕の2つのコイルがある。一次コイルの電流が0.01秒間に5A変化したとき、二次コイルに生じる起電力を求めなさい。
①電流の変化量と変化率を出す
（1）ΔI ＝ 3 − 1 ＝ 2A。ΔI/Δt ＝ 2 ÷ 0.05 ＝ 40 A/s
（2）ΔI₁/Δt ＝ 5 ÷ 0.01 ＝ 500 A/s
②インダクタンスを掛ける
（1）e ＝ L × 40 ＝ 0.4 × 40 ＝ 16 V
（2）e₂ ＝ M × 500 ＝ 0.2 × 500 ＝ 100 V
【検算】1H の定義（1秒で1Aの変化 → 1V）に戻って確かめます。（1）は 0.4H で 40A/s なので 0.4 × 40 ＝ 16V。（2）は 0.2H で 500A/s なので 0.2 × 500 ＝ 100V。どちらも一致しました。（2）の起電力が100Vと大きいのはΔt が0.01秒と極端に短いからで、スイッチを切った瞬間に火花が飛ぶのはこれが理由です。
ここが盲点：一定の直流では起電力は生じない
2つのコイルを近づけて一方に一定の直流を流しても、もう一方には起電力は生じません。磁束が変化しないからです。スイッチを入れた瞬間・切った瞬間だけ、検流計の針が振れてすぐゼロに戻ります。「一定の直流電流を流すと他方に起電力が生じる」という選択肢は誤りで、この形の出題は非常に多いです。
【応用】左手か右手か、迷わず見分ける4ステップ
本番でいちばん時間を溶かすのが「どっちの手だっけ」です。次の順番で機械的に判定してください。
step
1問題文に「電流を流す」と書いてあるか探す
電源や電池があってこちらから電流を流しているなら、それはモーターの話です。左手を使います。「導線に電流を流した場合、働く力の方向は」というのが典型文です。
step
２「導体を動かす」と書いてあるか探す
外から力を加えて導体を動かしているなら、発電機の話です。右手を使います。「速度 v で矢印の方向へ移動させたとき、発生する誘導起電力は」というのが典型文です。
step
３聞かれているものが「力」か「起電力」かで最終確認する
答えさせたいものが力〔N〕なら左手、起電力〔V〕なら右手。STEP1・2 と食い違ったら、こちらを優先してください。「電磁力＝左手」「起電力＝右手（ぎ＝き）」の語呂で二重チェックします。
step
４人差し指をN極からS極に向けてから手を当てる
どちらの手でも人差し指は磁界（N→S）で共通です。先に磁界の矢印を図に書き込んでから手を開くと、指の当て方で迷いません。
計算例：レール上を動く導体棒（左手と右手が同時に出る）
【例題】磁束密度0.4〔T〕の平等磁界中に、間隔0.5mの2本のレールを磁界と直角に置き、その上を導体棒が2〔m/s〕で滑っている。レールの端は2Ωの抵抗でつながれている。（1）誘導起電力、（2）回路に流れる電流、（3）導体棒に働く力を求めなさい。
①誘導起電力を求める（右手の出番）
導体を動かしているので e＝Blv です。
e ＝ 0.4 × 0.5 × 2 ＝ 0.4 V
②電流を求める（オームの法則）
I ＝ e ÷ R ＝ 0.4V ÷ 2Ω ＝ 0.2 A
③導体棒に働く力を求める（左手の出番）
電流が流れた以上、その導体棒は磁界から力を受けます。今度は F＝BIL です。
F ＝ 0.4 × 0.2 × 0.5 ＝ 0.04 N
この力の向きは、レンツの法則どおり導体棒の動きを妨げる向き（進行方向と逆）になります。だから発電機を回すには力がいるのです。
【検算】エネルギーの収支で確かめます。電気として発生する電力は P ＝ eI ＝ 0.4V × 0.2A ＝ 0.08W。抵抗での消費は P ＝ I²R ＝ 0.2² × 2 ＝ 0.04 × 2 ＝ 0.08W。そして外から加えている力の仕事率は P ＝ Fv ＝ 0.04N × 2m/s ＝ 0.08W。3つともぴったり0.08Wで一致しました。動かすのに使った力が、そのまま電気になっているということです。
🔰試験問題を解くときの手順
迷ったらこの順番
①「向き」を聞かれているか「大きさ」を聞かれているか確認する……向きなら手を使う問題、大きさなら公式に代入する問題。
②単位をすべて基本単位に直す……cm→m、cm/s→m/s、mWb→Wb。代入前に必ず。
③左手か右手かを決める……電流を流して力が出る＝左手（モーター）、導体を動かして電気が出る＝右手（発電機）。
④使う式を選ぶ……力なら F＝BIL、動く導体の起電力なら e＝Blv、コイルの磁束変化なら e＝N・ΔΦ/Δt。
⑤「変化しているか」を最後に確認する……静止している・一定の直流なら、起電力はゼロ。
とくに⑤が効きます。電磁誘導の文章題は、計算がまったく要らないかわりに「変化していないのに針が振れた」と書いてある選択肢を探すだけという問題が非常に多いのです。選択肢を1つずつ「変化しているか？」で判定すれば、図を細かく読まなくても正解にたどり着けます。
【過去問】電気に関する基礎的知識⑦：電流と磁界・電磁誘導
平等磁界中に置かれた導線に、図のように電流を流した場合、導線に働く力の方向として正しいものは次のうちどれか。
- 左の方向
- 右の方向
- 上の方向
- 下の方向
磁束密度の単位として、正しいものは次のうちどれか。
- テスラ（単位記号〔T〕）
- ヘンリー（単位記号〔H〕）
- ウェーバ（単位記号〔Wb〕）
- ファラド（単位記号〔F〕）
下図のように、コイルと棒磁石を用いて行った実験結果の説明で、誤っているものは次のうちどれか。
- 磁石をコイルの中に入れたときと出したときでは、検流計Gの針の振れは逆になった。
- 磁石を動かす速度を変えたら、検流計Gの針の振れの大きさが変わった。
- 磁石を動かしてコイルの中に出し入れすると、検流計Gの針は振れたが、磁石を静止させると針は振れなくなった。
- 磁石を静止させたままでコイルを動かすと検流計Gの針は振れ、コイルを磁石の中央で静止させると針は振れたところで静止した。
下図のように、コイルと棒磁石を用いた実験を行った結果の説明として、誤っているものは次のうちどれか。
- 磁石を動かしてコイルの中に入れたり出したりすると、検流計Gの針は振れたが、磁石を静止させると針は零を示した。
- 磁石を動かす速度を変えたら、検流計Gの針の振れの大きさが変わった。
- 磁石を静止させたままでコイルを磁石に近づけると、検流計Gの針は振れ、コイルを静止させると針は零を示した。
- 磁石をコイルの中に入れたときと、出したときの検流計Gの針の振れは同一方向であった。
次の関係を示す法則として、正しいものはどれか。「誘導起電力の大きさは、コイルを貫く磁束の単位時間あたりの変化に比例する。」
- クーロンの法則
- レンツの法則
- ファラデーの法則
- アンペアの右ねじの法則
消防設備士「過去問テスト」は、その名の通り“過去に出た問題” のテストです。
ブログでお馴染みの管理人が過去問に関する情報収集を積み重ね、その中からピックアップして過去問ベースの模擬試験を作成したものです。
上記以外に新傾向問題の情報など提供あり次第、解説を毎年追記して更新しています。これから消防設備士の試験を受けられる方は是非ご覧下さい。
それでは続いて国家資格「消防設備士」試験の ❝電気に関する基礎的知識❞ に出題される過去問をみていきましょう。
