渦電流ブレーキ

アルミL型アングルに沿わせると、磁石球はゆるやかに落下する。

 

【キーワード】


電磁誘導、渦電流*、ジュール発熱*

 

【目的】


コイルだけではなく、板やパイプでも、磁場が変動すれば電磁誘導によって電流が流れうることを定性的・定量的に理解させる。また、ジュール発熱により力学的エネルギーが損失することを理解させる。

 

【用意するもの】


材料 個数 備考
ネオジム磁石球 1個 直径10mm。
金属球 1個 直径10mm。
アルミL型アングル 1本 3.0mm厚、一辺25mm、長さ30cm(図1)。
プラスチック定規 1本 2.9mm厚、長さ30cm。
アクリル・パイプ 1本 1.0mm厚、外径20mm、長さ30cm。
薄肉ステンレス・パイプ 1本 0.5mm厚、外径20mm、長さ30cm(図1)。
薄肉銅パイプ 1本 0.5mm厚、外径22mm、長さ30cm(図2)。
厚肉銅パイプ 1本 1.0mm厚、外径22mm、長さ30cm(図1)。
スリット入り銅パイプ 1本 0.5mm厚、外径22mm、長さ30cm(図2)。ここでは自作。
柔らかい布 1枚 雑巾、ハンカチで可。衝撃を和らげるために使用する。

図1.左から薄肉ステンレス・パイプ、厚肉銅パイプ、アルミL型アングル。

図2.左は、スリット入り銅パイプ(細い銅板を互いに絶縁してパイプ状に並べた筒)。右は、薄肉銅パイプ(スリット入り銅パイプと同じ銅板を丸めたパイプ)。

 

【実験時間】


20分

 

【実験準備】


  • アングルやパイプを購入し、適切な長さに切りそろえておく。
  • スリット入り銅パイプを自作しておく。

 

【実験手順】


それぞれの実験をする前に、学生に実験結果を予想させる。

  1. アルミL型アングルに磁石球を近づけ、アルミが磁石につかないことを確認する。
  2. [磁石球と金属球の比較] ほぼ垂直に立てたアルミL型アングルの内側に沿わせて、磁石球、および金属球をそれぞれ落下させる。(結果):磁石球は金属球よりも、ゆるやかに落下する。(教員による説明):アルミは磁石につかないにもかかわらず、落下させる物体の磁力が、落下速度に影響することを述べる。
  3. [アルミL型アングルとプラスチック定規の比較] ほぼ垂直に立てたアルミL型アングル、およびプラスチック定規に沿わせて、磁石球を落下させる。(結果):プラスチック定規よりもアルミL型アングルに沿わせた方がゆるやかに落下する。(教員による説明):アングルが導体であることが、落下速度に影響することを述べる。
  4. [アルミL型アングルの内側と外側の比較] ほぼ垂直に立てたアングルの内側、および外側に沿わせて、磁石球を落下させる。(結果):外側よりも内側を沿わせた方が、ゆるやかに落下する。(教員による説明):磁石と接し、磁場変化を感じる金属板の面積が、落下速度に影響することを述べる。
  5. 銅パイプに磁石球を近づけ、銅が磁石につかないことを確認する。
  6. [磁石球と金属球の比較] 垂直に立てた薄肉銅パイプの中央部に、磁石球、および金属球をそれぞれ落下させる。(結果):磁石球は金属球よりも、ゆるやかに落下する。(教員による説明):銅は磁石につかないにもかかわらず、落下させる物体の磁力が、落下速度に影響することを述べる。
  7. [薄肉銅パイプと厚肉銅パイプの比較] 垂直に立てた薄肉銅パイプと厚肉銅パイプの中央部に、磁石球を落下させる。(結果):薄肉銅パイプよりも厚肉銅パイプの方がゆるやかに落下する。(教員による説明):薄肉銅パイプよりも厚肉銅パイプの方が、電気抵抗が小さいことを説明する。そして、パイプの電気抵抗、およびパイプを流れる電流が、物体の落下速度に影響することを説明する。
  8. [ステンレス・パイプと薄肉銅パイプの比較] 垂直に立てた薄肉ステンレス・パイプと薄肉銅パイプの中央部に、磁石球を落下させる。(結果):薄肉ステンレス・パイプよりも薄肉銅パイプの方がゆるやかに落下する。(教員による説明):銅よりもステンレスの方が、電気抵抗が大きいことを説明する。これより、パイプの材質による電気抵抗の差が、落下速度に影響することが分かる。
  9. 電磁誘導の法則によると、磁石球を落下させたときに、パイプの中をどちら向きに電流が流れるかを考えさせる。誘導電流の向きが磁石球に及ぼす力の向きが、運動を妨げる方向であることを確認させる。そして、実験7.,8.の結果から、電気抵抗の大きさとジュール発熱の大きさの関係について説明する。
  10. [銅パイプとスリット入り銅パイプの比較] 垂直に立てた銅パイプとスリット入り銅パイプの中央部に、磁石球を落下させる。(結果):同じ材質、同じ厚みにも関わらず、スリット入り銅パイプよりも銅パイプの方がゆるやかに落下する。(教員による説明):パイプの中を流れる電流の向きが確認されたことを述べる。

 

【注意点・備考】


  • この実験は、電磁誘導についてすでに学んだ学生向けの実験である。
  • 学生が机上で実験する場合は、磁石球や金属球の落下地点に柔らかい布などを敷くと、跳ねて転がらないので便利である。逆に、教員が教壇で演示する場合には、何も敷かずに球が着地するときに音を出した方が、講義室後方の学生でも落下速度の違いを理解しやすい。
  • ネオジム磁石の磁力は強力であるため、磁気カードに近づけないように注意する。
  • 実験教材を学生5人あたり一組程度用意して、グループで実験をさせてもよい。
  • 純粋な銅と合金であるステンレスの電気抵抗の大きさを、平均自由行程の長さから比較して考察させてもよい。

 

【動画】


 

【関連トピック】


渦電流の効果は、非接触型のブレーキに使用できる。日本では、初期の新幹線「ゼロ系」のブレーキとして、車軸に取り付けた金属円板に磁場を加えた。ドイツの鉄道では、円板ではなくレールに磁場を加える方式で、渦電流でレールを発熱させた。更に、新幹線ではモーターで発電した電流を抵抗体に流し、ジュール発熱させた。これらの方法は、エネルギーを熱として捨ててしまう。そこで、現在は省エネのため、在来線、新幹線共に、モーターで発電した電流を架線に戻し回収している(回生ブレーキ)。

 

【記事作成者】


三浦 裕一(名古屋大学理学研究科)

Last modified: Friday, 9 May 2014, 5:44 PM