2019年度 第一種電気工事士 筆記試験 問1 解説 平行導線間の電磁力

この問題は、平行な2本の電線に流れる電流によって発生する「電磁力（ローレンツ力）」の向きと、その大きさの比例関係を問うています。判断のポイントは以下の2点です。

1. 電流が逆方向なら「反発力」、同方向なら「吸引力」が働く。
2. 電磁力の大きさ $F$ は、電流の積（今回なら $I \times I = I^2$）に比例し、距離 $d$ に反比例する。

これらを満たす選択肢は「反発力」かつ「$I^2/d$ に比例する」ものであるため、ハが正解となります。

電磁力の発生メカニズム

平行な電線間に力が働くのは、片方の電線が作る磁界の中に、もう片方の電線が置かれているからです。

まず、電線Aに電流 $I$ が流れると、その周囲に右ねじの法則に従って磁界が生じます。この磁界の中に電線Bを置くと、電線Bは磁界から力を受けます。これをフレミングの左手の法則に当てはめると、電流の向きが逆の場合、お互いを遠ざけようとする力、つまり「反発力」が働くことがわかります。

この力 $F$ を表す公式は以下の通りです。 $F = \frac{\mu_0 I_1 I_2}{2 \pi d}$

ここで、$\mu_0$ は真空の透磁率、$I_1, I_2$ はそれぞれの電線に流れる電流、 $d$ は電線間の距離です。今回のケースでは $I_1 = I_2 = I$ ですので、式は $F = \frac{\mu_0 I^2}{2 \pi d}$ となり、力は $I^2$ に比例し、$d$ に反比例することが数式からも裏付けられます。

試験問題としての思考プロセス

試験会場でこの問題を解く際は、以下の順序で絞り込みを行います。

1. まず「方向」を確認する：問題文に「逆方向」とあるので、選択肢から「吸引力」を除外します。これでイとニが消えます。
2. 次に「比例関係」を確認する：残るはロとハです。公式の分母に距離 $d$ があることから、反比例であると判断します。さらに、電流が2本の電線にそれぞれ影響するため、単純な $I$ ではなく $I \times I$ の $I^2$ が関係すると導き出します。
3. 最後に、それらを統合して選択肢を選びます。

実務現場における電磁力の重要性

この知識は、単なる試験用の理論にとどまらず、実際の電気設備設計において非常に重要です。

例えば、短絡事故（ショート）が発生した場合、電路には定格の数十倍から数百倍もの大きな短絡電流が瞬間的に流れます。このとき、バスバー（銅帯）などの配線間に発生する電磁力は凄まじいものとなり、固定が不十分だと電線が変形したり、支持碍子が破壊されたりする恐れがあります。

配電盤や変電所の設計を行う際、想定される最大短絡電流に対して、電線の支持間隔や固定強度が十分であるかを計算し、物理的な破壊に耐えられるように構築する必要があります。つまり、この問題は「事故時に電気設備が物理的に壊れないように設計する」という、電気技術者の安全性に対する意識を問うているのです。

参考リンク

• 第一種電気工事士筆記試験の完全攻略法
• 電磁力とローレンツ力 - 電気電子工学の基礎
• 【物理】平行電流間に働く力（力と磁場の関係をアニメーションで確認）