システム奮闘記：その105

うず電流を使った物理実験

(2016年5月22日に掲載)

アラゴの円盤の実験

　ローレンツ力とファラデーの誘導起電力の法則の復習にもってこいの実験だ。

　渦電流とは、金属の板に磁場を変化させると
板内部で渦を巻いた電流が発生するのだ。

　身近な活用例としては、アラゴの円盤で、家庭の電力計に使われている。
　【アラゴの円板から積算電力量計、誘導モータへ】(磁石とマグネットのNeoMag -NeoMag通信バックナンバー)

アラゴの円盤

アルミなどの円盤の上を、磁石が通過すると考える。円盤上を通過する際、磁石から円盤に向かって磁束密度が伸びているのだ。


　磁石が円盤上を通過する際、円盤上で、うず電流が発生する。

磁石が円盤上を通過する際、円盤上で、うず電流が発生する

磁石を近づけると、磁束密度が増加するためレンツの法則により、電流が発生し、磁束密度が増加しないように働く。磁石が通過した所では、磁束密度が減少するためレンツの法則により、電流が発生し、磁束密度が減少しないように働く。


　レンツの法則が働く結果、以下のことが起こる。

レンツの法則によって磁石の下を通過する電流が発生する

レンツの法則で発生した(1)と(2)の電流が合成した形になる。


　合成した電流と磁束密度は垂直になる。
　この時・・・

　ローレンツ力が働く

　のだ。

円盤にローレンツ力が働く

磁石が発する磁束密度と、レンツの法則によって発生した電流によりローレンツ力が働く。その結果、磁石を追いかける方向に力が働くのだ。


　この物理現象を・・・

　アラゴの円盤

　と呼ぶのだ。


　アラゴの円盤の原理がわかった所で、100金で買える物と家にあるもので
アラゴの円盤の実験をしてみる事にした。

アルミ箔と磁石を100金で買ってきた

アルミ箔は100金で買わなくても家庭にもある。円盤状にアルミ箔を切った。


　そして円盤状にしたアルミ箔を、水を張った洗面器の上に浮かべる。

水に浮かせたアルミ箔の上を磁石で回す

原理的にはアルミ箔も動き出すはずだったのだがどうやら実験はうまくいなかった。磁石が弱かったかもしれない・・・。



IH調理器を使った実験

　他の実験がないか探してみると、IH調理器を使った実験を発見した。

　おもしろ実験と自由研究「電磁調理器でUFOを飛ばそう！の改良版」
　IH調理器を使った理科学習(京都教育大学:pdf)


　まずはIH調理器の原理から説明する。(本の丸写しだが・・・)
　「第15回　今夜は鍋にしましょうか？　? 火を使わないIH調理器の仕組み?｜テクの雑学｜TDK Techno Magazine」の丸写しだが・・・。

IH調理器

おなじみになったIH調理器火を使わないため火事の心配が少ないと言われる。ただ鍋の材質によって使えない場合があるので、ガスコンロと一長一短の所もある。


　IH調理器の仕組みは以下の通りだ。(完全に受け売り)

IH調理器の仕組み

中に大きなコイルがあり、真ん中に穴があいている電源を入れると、コイルから磁場が発生する。鍋底の金属部分で、うず電流が発生する。この、うず電流が鍋の抵抗によって、熱エネルギーになりその熱が過熱に使われる。


　さて、IH調理器の上にアルミ箔を乗せるとどうなるのか?

IH調理器の上にアルミ箔を乗せる

鍋と同様、アルミ箔内部でも、うず電流が生じる。
レンツの法則より、IH調理器が発生する磁場とは反対向きに
うず電流が磁場を発生させる。

その時、磁場が反発しあって、アルミ箔が浮上するのだ。

(突っ込まないでね)
絵を描く都合上、分厚いアルミ箔になってしまった。
でも、許してチョンマゲなのだ。


　早速、ドーナツ状に切ったアルミ箔をIH調理器に乗せてみる。

ドーナツ状に切ったアルミ箔をIH調理器に乗せてみる


　IH調理器の真ん中に金属のコップを置く。

IH調理器の真ん中に金属のコップを置く

物の有無や材質を見るセンサーを騙すためだ。


　早速、電源を入れてみる。

電源を入れるとアルミ箔が浮上し始める

電源を入れるとアルミ箔が浮上し始めるのだがこれでは見にくい。


　でも、しっかりとアルミ箔が浮上してくれた。

しっかりとアルミ箔が浮上してくれた

まさにUFOという感じだ。


　物理の世界を数式ばかりだと退屈だし、しんどくなる。
　やはり・・・

　物理は実験しないとオモロナイ!!

　なのだ。

　あとは手軽な実験を思いつくかどうかで、

　物理の理解度がわかってしまう

　そのため実験は大事だと思った。


電磁気学入門の目次

電磁気学入門:目次
スカラーとベクトル	簡単なスカラーとベクトルの話です。ベクトルは方向と大きさを持つ量。方向という量持っているだけに注意が必要です。
静電気の発見からクーロンの法則	今でこそ当たり前の静電気や導体、絶縁体、電荷などどういう経緯で発見し、クーロンの法則まで至ったのかの話です。
クーロン力、電場、近接作用	4つの力のうち、クーロン力の位置づけ電荷が作り出す作用の電場。近接作用の話です。
微分、全微分、方向微分	簡単な微分、全微分、方向微分の話です。ここをしっかり押さえないと、電磁気の数式の意味がわからなくなります。
ベクトル解析	電磁気に必要なベクトル解析の話です。勾配(grad)、2次元のグリーン定理ストークスの定理の話です。
電位ポテンシャル	電位ポテンシャルです。勾配と電場の関係を使って説明しています。
電気双極子	電気双極子の話です。物質中で起こる分極を理解するのに必要です。
ガウスの法則	ガウスの法則の積分形、微分形の話です。
ポアソンの方程式、ラプラス方程式	ポアソンの方程式、ラプラス方程式の話です。単に電荷分布から電位を求めるだけの話にとどまらない奥が深い分野です。ポテンシャル論、デルタ関数グリーン関数、固有値問題について触れています。
静電場と渦なしの法則	静電場で、電荷を1周させた時の仕事はゼロ微分形と微分形の渦なしの法則の話です。
ビオサバールの法則	電気と磁場の関係の発見の話からビオ・サバールの法則が導かれるまでの話です。
磁気双極子	磁気双極子の話で、回転電流になります。物質中の磁場の話にも関連します。
アンペールの法則	アンペールの法則の話です。積分形・微分形だけでなく、閉回路に流れる電流が作る磁気双極子の話なども書いています。
ローレンツ力	磁場中を移動する電荷にかかる力(ローレンツ力)の話です。ローレンツ力は相対性理論が絡んでいる事も紹介しています。
ファラデーの誘導起電力の法則	ファラデーの誘導起電力の話です。
うず電流を使った簡単な物理実験	電力計に使われるアラゴの円盤。そしてIH調理器で熱するために発生させる、うず電流はレンツの法則から電流が発生する原理を応用した物だ。アラゴの円盤の実験と、IH調理器を使った実験です。気分転換で読んでください。
ベクトルポテンシャル	わかりにくいベクトルポテンシャルの話です。電位は電荷が作る電気のポテンシャルだがベクトルポテンシャルは電流が作る磁場のポテンシャルの話です。
オームの法則の微分形	微小領域でのオームの法則の話です。
マックスウェルの方程式	4つのマックスウェルの方程式を書いています。電場と磁場の変化を図にする事で rotの回転の意味も理解できます。
ゲージ変換	ゲージ(gauge)は物差しの意味です。マックスウェルの方程式をE（電場）とB(磁場)の関係式から φ(電位ポテンシャル)とA(ベクトルポテンシャル)の関係式に書き換える際、ゲージ変換が使われます。ゲージ変換の役目を書きました。
電磁波	マックスウェルの方程式から電波が伝わる様子を視覚的に見てみる話です。
回転のrotはベクトルの微分	ベクトル解析や渦なしの法則で出てくるrotはベクトルの微分という話です。
電磁気学の単位系	電磁気学の単位系の話です。物理量の単位系の指数を見る次元解析電磁気学の歴史と単位系の変遷について触れました。
電気泥棒:電気と法律の話	電気は物体なのか、無形物なのか。明治時代に、電気を無断で使った場合、物か、そうでないかで窃盗罪になるかどうかが裁判で問われました。ちょっとした科学と法律の話です。気分転換で読んでください。
数ベクトルと基底ベクトル	ベクトルの話です。矢印だけがベクトルでない事。数ベクトルと基底ベクトルの違いの話です。多様体、反変・共変ベクトルを理解するのに必要です
多様体	空間を一般化した話です。 ▽(ナブラ)の正体に迫まります
外積代数	外積、テンソルについて書いています。極性ベクトル、軸性ベクトル外積は行列で、ベクトルは見せかけの姿だった話です。
ベクトルの双対関係	反変ベクトル、共変ベクトル、双対関係ベクトル解析、外積代数の話外積、テンソルについて書いています。
ローレンツ力と相対性理論	磁場は電場の相対論的効果だった話です。ローレンツ力を使って、導線が作る磁場を使って説明です。
微分形式	多様体の話の続きです。座標に依存しない形での関数やベクトルの微分の話です。ガウスの法則、アンペールの法則、マックスウェルの方程式が鮮やかな形で表現できます。 ∇(ナブラ)の正体もわかります。
物理と対称性	マックスウェルの方程式をよく見ると対称性があります。物理の方程式と対称性を数学的な観点でみると意外なつながりがあるという話です。
マックスウェルの応力	電気力線を弾性体(ゴム)とみなして、力の伝わり方などを説明した考え方です。
電場エネルギー	電場が持つエネルギーの式を導いた話です。
磁場エネルギー	磁場が持つエネルギーの式です。手抜きの説明と、直流RL回路を使った説明を書きました。
ポインティングベクトル	電磁エネルギーの流れ「ポインティングベクトル」の話です。電磁波でもエネルギー保存則が成り立つ話からポインティングベクトルを導いています。
電気エネルギーは導線の外を伝わる	導線の外を電気エネルギーが流れる話です。私が誤解した事、その誤解を解いていく過程を紹介しながら「目からウロコ」にたどり着いた話です。
物質中の電場	物質中の電場の話です。分極の話をしながら、物質中の電場の話をします
物質中の磁場	磁性の話をしながら、物質中の磁場の話をします
物質中のマックスウェルの方程式	物質中でもマックスウェルの方程式が成り立つ話です。
導体に侵入する電磁波	導体に侵入する電磁波が減衰していく話です。表皮効果と同じ「表皮の厚さ」が出てきます
表皮効果	目的の表皮効果の話です。マックスウェルの方程式を解きながら交流電流の周波数を上げると、表面にしか電流が流れなくなる話です。

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