砂鉄はなぜ模様になるの？
紙の下に磁石を置いて砂鉄をまき、紙をトントンたたくと、砂鉄が線のようにならんで模様ができます。この線は、磁石の力がはたらく向きをあらわしていて、「磁力線（じりょくせん）」といいます。磁力線はN極から出てS極に入り、極（両はし）のまわりにたくさん集まります。だから、砂鉄も極のまわりにいちばん多く集まります。
このシミュレーターの棒磁石（長さ10cm・はば2cm・厚さ1cmのフェライト磁石）で計算すると、磁石の力の強さは次のようになります。
| N極の先からのきょり | 磁石の力（紙の上） | 地球の磁石の力の |
|---|---|---|
| 1cm | 約30mT | 約1000倍 |
| 5cm | 約2.2mT | 約70倍 |
| 10cm | 約0.47mT | 約16倍 |
| 20cm | 約0.09mT | 約3倍 |
| 約30cm | 約0.03mT | 同じくらい |
はなれると、磁石の力は急に弱くなります。きょりが2倍になると、遠くでは力は約8分の1になります。地球も大きな磁石で、日本付近では水平の向きに約0.03mT（ミリテスラ）の力で方位磁針を北に向けています。このシミュレーターの棒磁石では、N極の先 約30cm、横向きなら磁石のまん中から約26cmより近いと、方位磁針は地球より磁石の力のほうを強く受けます。U字形磁石では、極の先 約15cmです。
どうして砂鉄は線のようにならぶの？
砂鉄のつぶは、磁石の近くに置かれると、1つぶ1つぶが小さな磁石になります。小さな磁石どうしはN極とS極で引き合うので、つぶがつながって、くさりのような線になります。その線は、磁石の力の向きにそってのびます。紙をトントンたたくと、紙と砂鉄のあいだのまさつが小さくなり、砂鉄が動いて向きをそろえやすくなります。
おうちの方向けに言うと、砂鉄（主に磁鉄鉱）の粒は磁場の中で磁化し、磁場の向きに長軸をそろえて連なります。粒の並びは磁束密度ベクトルの向き（磁力線）を、粒の集まりやすさは磁場の強さの勾配をあらわします。棒磁石から十分はなれた点の磁場は磁気双極子の場で近似でき、距離の3乗に反比例して弱くなります。地磁気の水平分力（日本付近で約3万nT＝0.03mT）より磁石の場が弱くなると、方位磁針はほぼ北を向きます。
おうちでの実験のやり方
- 砂鉄を用意します。公園の砂場で、磁石をポリ袋に入れて砂の中を動かすと、袋の外に砂鉄が集まります（袋を裏返すと、磁石に直接つかずにすみます）。市販の砂鉄も使えます。
- 机の上に磁石を置き、その上に厚紙か下じきをのせます。
- 砂鉄を、紙の上にうすくまんべんなくまきます。茶こしを使うときれいにまけます。
- 紙のはしを指で軽くトントンたたいて、模様ができるようすを見ます。写真をとるか、スケッチしましょう。
- 磁石を2本にして、N極とS極、N極とN極を向かい合わせたときの模様をくらべます。方位磁針を紙のまわりに置いて、向きを記録するのもおすすめです。
砂鉄は細かいので、息でふき飛ばしたり、目に入れたりしないように気をつけましょう。終わったら手を洗います。磁石や砂鉄を、スマートフォン・カード・時計・パソコンに近づけないようにします。ネオジム磁石などの強い磁石は、指をはさんだり、われたりすることがあります。小さな磁石は、小さな子が飲みこむと大変危険なので、手の届かないところにしまいましょう。
自由研究のまとめ方のヒント
「棒磁石1本」「N極とS極」「N極とN極」「U字形」の4つの模様を写真やスケッチでならべ、どこに砂鉄が多く集まったかを書きましょう。シミュレーターの「赤い線で見る」で磁力線とくらべると、砂鉄の線が磁力線にそっていることがわかります。方位磁針を磁石から少しずつはなし、北を向くようになるきょりをはかって、シミュレーターの計算（棒磁石で約30cm）とくらべるのもおすすめです。
よくある質問
棒磁石のまん中に砂鉄がつかないのはなぜ？
磁石の力がいちばん強いのは、両はしの極です。まん中は、N極の力とS極の力が打ち消しあって、外への力がとても弱くなります。砂鉄にじかに磁石を入れると、両はしにだけ、ひげのように砂鉄がつきます。
方位磁針のN極が南を向いてしまう
近くに磁石や鉄があると、方位磁針はそちらにひかれます。磁石から30cm以上はなして使いましょう。強い磁石の近くに長く置くと、方位磁針の針の磁石が弱くなったり、N極とS極が入れかわったりすることもあります。
砂鉄はどこにあるの？
砂場や川原、海岸の黒っぽい砂に多くふくまれています。砂が地層になるようすは地層のでき方シミュレーターでも見られます。
磁石の力は紙を通りぬけるの？
紙やプラスチック、木、アルミニウムなどは、磁石の力をほとんどさえぎりません。だから、紙の下の磁石でも砂鉄が動きます。鉄の板をはさむと、力が弱くなります。
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