単極モーター

電池と釘とネオジム磁石で、最も簡単と言われるモーターを作る。

 

【キーワード】


磁場中の電流に働く力

 

【目的】


可視化しにくい「磁場中の電流に働く力」を、動きのある装置で印象づけるとともに、その動作原理を理解させる。

 

【用意するもの】


材料 個数 備考
単三電池

1個

 

1本

家庭用のもので可。
ネオジム磁石 1個 直径5mm程度の円筒形のもので、軸方向に磁化されていること。
磁石 1個 フェライト磁石で可。ここでは、円筒型の平たい磁石で、机の上に置いた時に上向きがNまたはS極になるものを用いた。
導線 1本 ネオジム磁石と電池の端子を接続する。

 

【実験時間】


5分

 

【実験準備】


釘と電池の接触状態によってモーターが回転しないことがあるので、実験前にリハーサルをして回転することを確認しておく。

 

【実験手順】


  1. 釘の頭部と磁石をくっつける。
  2. 釘の先と電池の?極をくっつける。磁力が強力なため、点接触でもくっつく。
  3. 電池の+極とネオジム磁石の側面を導線で電気的に接触させる。すると、ネオジム磁石が非常に高速で回転する。
  4. ネオジム磁石が回転する理由を、学生に考えさせる。実験器具は学生に回覧させても、1セットずつ渡してもよい。

 

【教員による説明】


磁場中の電流には力がはたらく。磁石の内部には磁場がないため、磁石内部を流れる電流には力がはたらかない。また、磁石上面を流れる電流には力がはたらくが、その反作用として磁場(磁石)に逆向きの力がはたらくため、結局これらの力は内力となり磁石の回転には寄与しない。実際は、磁石に接触させている導線を流れる電流にはたらく力の反作用の力が磁石を回転させる。

 

【注意点・備考】


  • 実験装置自体の抵抗が100mΩ程度であり電流が比較的多い(数アンペア)ため、長時間回転させ続けると加熱する恐れがある。特にニッカド電池・ニッケル水素電池(10-20mΩ)は、アルカリ電池(100-200mΩ)に比べて内部抵抗が低く爆発の危険があるため使用しない。
  • 単極発電機の動作原理は、単極モーターの動作原理の裏返しになっている。すなわち、軸方向に磁場をかけた円盤を回転させると、円盤の中心と縁の間に電流が流れる(図2・図3)。


図2.単極発電機(ファラデーの円盤)

図3.単極発電機の原理

【参考文献】


[1] C. Chiaverina, “The simplest motor?” Phys. Teach. 42, 553 (2004).

[2] H. K. Wong, “Motional Mechanisms of Homopolar Motors & Rollers,” Phys. Teach. 47, pp.465-463 (2009).

 

【関連トピック】


模型用のモーターを除くと、身の回りの電化製品(電車・ハイブリッドカーなども含む)で使用されているモーターは誘導モーターである。誘導モーターと単極モーターとの動作原理の比較を、レポート課題にしても面白い。

 

【記事作成者】


千代勝実(名古屋大学理学研究科)

Last modified: Friday, 9 May 2014, 4:41 PM