令和３年度サイエンス・ファイト作品紹介
学 校

長崎大学教育学部附属中学校

学 年

１ 年

氏 名

茶 屋 本

タイトル

方位磁針を用いた地球磁場に関する研究

悠 司～方位磁針で伏角を知ることができないだろうか～
概要
地磁気の向きは水平北向きではなく地面の向きに傾斜している。長崎での伏角は約４５°である。この角度を安価な小型方位磁針を用いて交流電流を流したコイ
ルに釘を入れて弱い地磁気の水平北向きと鉛直向きでの着磁量の違いから伏角を計算で求めることができる。

方位磁針を用いた地球磁場に関する研究
方位磁針で伏角を知ることができないだろうか
長崎大学教育学部

附属中学校１年

茶屋本

悠司

動機：これまでの研究では磁石の近くの強い磁場中で電磁石コイルに交流電流を流し、その中に釘を入れると強く着磁することを行った。
今回は弱い地磁気の中でも着磁できるのではないかと思って実験を行った。
さらに地磁気の伏角と呼ばれているもので地磁気の向きは北向きに水平ではなく北半球では緯度などの違いにより水平から下向きに傾いている。
この傾きを方位磁針から求めることはできないかと思って実験を行った。

今回の実験内容
実験１：弱い磁場の中での磁石の極から離れた位置(弱い磁界中)での磁気的振動による着磁実験２：鉄筋建物の広い部屋の中での地磁気の乱れ（１）壁際での北向きの乱れ（２）壁際での伏角の乱れ（伏角７０度と２０度で実験）
実験３：地磁気の伏角が異なるところでの磁気的振動による着磁
水平北と鉛直方向での着磁の強さから計算により伏角を求める（１）伏角が４５度での着磁の実験（２）伏角が７０度での着磁の実験（３）伏角が２０度での着磁の実験（１）地磁気の要素
伏角：地磁気の方向と水平北が作る角度。模式図の中では角度
偏角：地磁気の方向と地図上の北とのなす角。模式図の中では角度
水平分力：地磁気の水平面の北向きの成分。模式図の中ではベクトル
鉛直分力：地磁気の鉛直向きの成分。模式図の中ではベクトル（３）伏角計の使い方(４５°を示す

針の先
２２５°

写真１（ a ）：水平で北向き（ b ）：地球磁磁場の向き（ c ）：拡大写真

円盤を水平にし、磁針が２７０°の位置に来るように台座を動かすと、磁針は水平線で北向きを示している。そのために方位磁針としても使うことができる。（ｂ）は円盤を鉛直にして、円盤状のある目盛りを指して静止する。その読みが２２５°を示したので２７０°−２２５°＝４５°が伏角となる。
長崎はでの伏角は約４５°であると報告されている。木造の建物や家の外ではHDIZ) 

この伏角計でも４５°を示した。

実験１：弱い磁場の中での着磁の実験
地磁気の影響がないようにするために棒磁石を東西方向に置いて実験する。写真２（a）のように磁石のN極から例えば２０ｃｍの位置に釘の頭を置いて着磁の強さを直径１５ｍｍの小型の方位磁針の振れ角で測定したところ方位磁針の振れ角は上が字で示すように０°を示した。その後、交流磁場を与えるために（ｂ）のように電磁石用コイルに釘を入れて２０ｃｍに置いて交流電流０.６Ａを流した。その釘の着磁の強さを測定すると振れ角は２０°を示した。
同様な方法で釘の頭の位置を５ｃｍから２５ｃｍについても測定した結果を表１に示す。
ここで長さ１１ｃｍの釘の先端ではなく頭に着磁した強さを測定するのは頭の方が面積が大きいので方位磁針の振れ角が大きくなるからである。もう一つの理由は基準線に正確に合わせやすいからである。
写真２：（a）東西向きの磁場の中に置いた釘の着磁の強さを測定

西東（b）同じ位置に置いた釘に磁気的振動を与えて着磁を調べる

磁石

電磁石コイル

表１：釘の頭から磁石までの距離とその位置での着磁の強さ磁石からの釘の位置

５ｃｍ

７ｃｍ

１０ｃｍ

１５ｃｍ

２０ｃｍ２５ｃｍ

そのまま釘を置く

１０°

５°

０°

０°

０°０°

交流磁場中の釘の頭７５°

７０°

６０°

３５°

２０°

１０°

結果：磁石から１０ｃｍ以上離れた位置に置いた釘にはこの方位磁針では着磁量を確認できない。しかし、その位置で交流磁場を与えると強く着磁できることが分かった。そこで弱い地磁気中でも着磁できるのではないかと思われるので鉄筋の建物の地磁気を測定した。

実験２：鉄筋建物の広い部屋の中での地磁気の乱れ
1.

壁際での北向きの乱れ

表２：窓際に沿って５０ｃｍ毎に４ｍの幅での方位磁針の振れ角の測定

床からの高さ―２００−１５０−１００−５００５０１００１５０２００A

BC

DEFGHI

９０㎝−３０°＋６５°／＋５５°

０°

−３０°

−７０°

−９０°

−２２５５０㎝

＋２０°

０°

／０°

−２５°

−３０°

−５０°

−７０°

−７５°３０㎝＋５°−１０°／０°

−２０°

−５０°

−５°

−１０°

−１０°

０㎝

０°

−１５°／＋１０°＋５°

０°＋１０°＋３０＋５°

表１は教育学部６３３室の壁に沿って窓枠の下で５０ｃｍ毎にＡからＩまでの８カ所で測定した。さらに各位置の床の上と床から３０ｃｍ、５０ｃｍ９０㎝上での方位磁針の針の振れを測定した。表中の０°は壁に平行で壁の向きが北向きにあることを示す。例えば１５０㎝の位置でー９０°とは地磁気の向きが東向きに変化していることを示す。表１の中のA〜Iは下の写真の窓下の位置を示す。Cは柱があるために測定できなかった。
表１の中で地磁気の向きが大きく変化しているAB間やHI間のところには壁の中に鉄材が入っていると思われる。
写真３：教育学部６３３室の窓枠の下で測定

A

B

CDE

F

GHI実験３：地磁気の伏角が異なるところでの磁気的振動による着磁
これまでの研究では実験１の表の中で見られた５ｃｍの位置でのような強い磁場の中で交流磁場により、着磁が増加することを行ってきた。今回は２０ｃｍ以上のところで見られたように弱い磁場の中で着磁を方位磁針では感知できなくても交流磁場を与えることで着磁が増加して測定できるならば弱い磁場である地球磁場中でも着磁の強さを知ることができるだろうと考えて地球気の伏角の測定を試みた。
その際、弱い地磁気の水平北向きの強さと鉛直向きの強さは直接には方位磁針では測定できない。しかし、この向きに釘を置いてコイルに交流磁場を加えることで着磁できるならばその着磁の強さの違いから地磁気の方位による磁場の強さを知ることができるのではないかと思った。その位置における地磁気の伏角を計算から求めることができると思われたので下記の実験を行った。
（１）伏角が４５度での着磁の実験

南釘の頭
釘は東西向

写真４（a）釘の頭は鉛直（b）釘の頭は北向き（c）釘を東西に向けて方位磁針で振れ角を測定

表３：各方位磁針の中心から１０ｍｍ 離れた位置に釘の頭を置いた時の振れ角

３つの方位磁針ABC

北水平の振れ角

３５°

３０°

４０°

鉛直の振れ角

３４°

３０°

４０°

振れ角からの結果

４４°

４５°

４５°

結果：表３に見られるように釘の頭が北向きの時の方位磁針の針の振れ角と鉛直向きの時の値がほぼ等しいことから伏角の向きはほぼ４５°であることが分かった。

この位置で伏角計は写真１のように４５°を示していた。

（２）伏角が７０度の位置での着磁の実験
表４：方位磁針から１１，１３，２０ｍｍ
方位磁針から釘を置く位置

離れた位置に釘の頭を置いた時の振れ角

１１ｍｍ

１３ｍｍ

２０ｍｍ

釘の頭を水平北に置いた振れ角

１０°

８°

３°

釘の頭を鉛直に置いた振れ角

２５°２０°８°

伏角計の読み７０°での着磁（実験２で行った地磁気の乱れの部屋）
測定位置：１１ｍｍ
水平北１０°

tan１０°＝０.１７６

鉛直向き

２５°

tan２５°＝０.４６６

伏角＝tan-1（tan鉛直振れ角÷tan水平北振れ角）
伏角＝tan-1（tan２５°÷tan１０°）＝tan-1（２.６５）＝６９.３
tan-1はアークタンジェントと呼ばれtan(正接)の逆関数である。
測定位置：１３ｍｍ
水平北８°

tan８°＝０.１４１

鉛直向き

２０°

tan２０°＝０.３６４

伏角＝tan-1（tan２０°÷tan８°）＝tan-1（２.５８）＝６８.８
測定位置：２０ｍｍ
水平北３°

tan３°＝０.０５２

鉛直向き

８°

tan８°＝０.１４１

伏角＝tan-1（tan８°÷tan３°）＝tan-1（２.７１）＝６９.７
結果：伏角計の読み７０°と大変よく一致した

針読み７０°
写真５：（a）伏角計（b）拡大写真（３）伏角が２０度の位置で着磁の実験
表５：方位磁針から１1、１３，２０ｍｍ 離れた位置に釘の頭を置いた時の振れ角
方位磁針から釘を置く位置

１１ｍｍ

１３ｍｍ

２０ｍｍ

釘の頭を水平北に置く振れ角４５°

２５°

１５°

釘の頭を鉛直に置いた振れ角

２０°

１０°

３°

測定位置：１１ｍｍ

伏角＝tan-1（tan２０°÷tan4５°）＝２０.０

測定位置：１３ｍｍ 伏角＝tan-1（tan１０°÷tan２５°）＝２０.７
結果：伏角計の読み２０°と大変よく一致したもし、着磁量としてtanを採用しないで振れ角をそのまま用いると１１ｍｍの位置では伏角＝tan-1（２０°÷4５°）＝tan-1（０．４４４）＝２４°となる。このように振れ角°°°°°   がかなり異なるときには誤差が大きくなることがわかる。

伏角計の読み２０°
写真６：（a）伏角計20度（b）拡大写真

結果：伏角計の読み２０°と大変よく一致した

全体のまとめ（１）鉄筋建物の中で特に鉄の補強材が入っている近くでは地磁気がかなり乱れていることが分かった。
（２）地磁気の向きは水平北向きではなく地面の向きに傾斜している。長崎での伏角は約４５°である。この角度は約３万円する伏角計で測定できるが１００円以下の小型方位磁針を用いて交流電流を流したコイルに釘を入れて弱い地磁気の水平北向きと鉛直向きでの着磁量の違いから伏角を計算で求めることができる。この方法で鉄筋建物中の乱れが大きい
２０°と７０°の位置で測定してみると驚くほどよい結果が得られた。