電験三種 令和5年度下期 理論 問3｜電磁気学（磁気回路）

強磁性体を使った磁気遮へいの仕組みを問う問題です（令和5年度下期 問3）。

鉄などの強磁性体は透磁率が空気よりはるかに大きく，磁束が通りやすい物質です（(ｱ) 通りやすい）。そのため，磁界の中に置くと周囲の磁束が強磁性体に引き寄せられ，その内部を通ります（(ｲ) 内部）。

強磁性体を中空の箱や管にすると，磁束は壁の中を回り込んで通り，中空部分にはほとんど入りません。これを磁気遮へいといいます（(ｳ)）。正答は(4)です。

【(ｱ) 磁束の通りやすさ】

強磁性体（鉄，ニッケル，コバルトなど）の比透磁率は1よりはるかに大きく，磁気抵抗が小さい物質です。磁束は磁気抵抗の小さい経路を選んで通るので，強磁性体は「磁束が通りやすい」物質です。→通りやすい

【(ｲ) 磁束の通り道】

磁界中に強磁性体を置くと，周囲の磁束は強磁性体の中に集まり，その内部を通ります。→内部

【(ｳ) 遮へいの名称】

強磁性体を中空にすると，外から来た磁束は磁気抵抗の小さい壁の中を通って回り込み，中空部分にはほとんど入りません。このように強磁性体で囲んで磁界の影響を防ぐことを磁気遮へいといいます。→磁気遮へい

【誤りの語句】

・「通りにくい」「外部」：強磁性体の性質を逆にとらえた語句です。磁束が通りにくいのは空気や非磁性体のほうです。

・静電遮へい：導体で囲んで外部の電界の影響を防ぐことで，電界に対する遮へいです。本問は磁界についての記述なので当てはまりません。

正答は(4)です。

【磁気回路として考える】

磁束の通り道は電気回路にたとえることができ，磁気抵抗は Rₘ＝l/(μS)（l：磁路の長さ，μ：透磁率，S：断面積）で表されます。強磁性体は透磁率μが空気の数百倍から数千倍以上にもなるため，同じ長さ・断面積なら磁気抵抗は非常に小さくなります。並列の電気回路で電流が抵抗の小さい側に多く流れるのと同じように，磁束は強磁性体の側に集まります。

【中空部分に磁束が入らない理由】

中空の強磁性体の箱では，外からの磁束にとって「壁の中を回り込む経路」と「中空部分（空気）を横切る経路」が並列になっています。壁の経路の磁気抵抗が空気の経路よりはるかに小さいので，磁束のほとんどは壁を通り，中空部分を通る磁束はわずかになります。完全にゼロにはならないので，壁を厚くしたり，透磁率の高い材料を使ったり，箱を二重にしたりして遮へいの効果を高めます。

【静電遮へいとの違い】

・静電遮へい：導体（金属）で囲むと，導体内部の電界は0になるので，内部は外部の電界の影響を受けません。導体であれば材料は問いません。

・磁気遮へい：強磁性体で囲み，磁束を壁の中に通して内部への磁束を減らします。磁気に対する「導体」に当たるものがないため，静電遮へいのように完全には遮へいできません。

選択肢(3)(5)の「静電遮へい」は，この二つの遮へいを取り違えたときに選んでしまう語句です。

【応用例】

磁気遮へいは，磁界の影響を受けやすい計測器や，外部の磁界を嫌う機器を囲うのに使われます。逆に，変圧器の鉄心のように「磁束を鉄に集めて決まった経路に通す」という使い方も，強磁性体の磁束が通りやすい性質を利用したものです。

【関連する出題パターン】

・強磁性体・常磁性体・反磁性体の比透磁率の大小

・ヒステリシスループ（保磁力・残留磁気）と永久磁石・電磁石の材料の選び方

・磁気回路のオームの法則 Φ＝NI/Rₘ を使った計算

「強磁性体＝透磁率大＝磁気抵抗小＝磁束が集まる」という一続きの関係で整理しておくと，語句問題にも計算問題にも対応できます。