「カリスマ先生の合格授業」「合格自在シリーズ」執筆者の個人サイトです。中学受験理科の入試問題の解説や効果的な学習方法などをご紹介。

簡易モーターは永久磁石で教える

簡易モーターかん電池で回る直流モーターの原理電磁石と回路が整流子ブラシによってつながっていますが、こんがらがって理解できない子が続出します。さらに導線だけを巻いて作る簡易モーターは出題がワンパターンなのにかなりの子が理解できないまま入試を迎えている状況です。それで、図の中に永久磁石を忍ばせて説明をすることにしました。
最初は図1の直流モーターからです。直流モーターの説明の前に、永久磁石を使って回り続けるために必要な方法を確認します。塾なら長い黒板消しにNとSを書いてくるくる回しながら説明します。

永久磁石で考えるまず、右のA図のように外側の界磁石で作られた磁界の中に永久磁石を入れたとします。すると磁石の同じ極同どうしは反発するので、A図では真ん中の磁石は時計周りに回転することになります。しかし、真ん中の磁石は1/2回転するとB図のような状態になってNとSが引き合い動かなくなってしまいます

そこで、回転を続ける方法を考えてみます。そのためには、B図のタイミングで真ん中の磁石の極が逆さまにならなければなりません。その様子を図に示すと次のようになります。

回転を続けるにはつまり、E図のところでNとSを入れ替えれば良いわけです。永久磁石では極の入れ替えはできませんが、電磁石なら可能です。電磁石の回転の途中で電流の流れる方向を変えてやる装置を作ればよいわけです。


ブラシと整流子
電流の向きを変える装置は図2のようなものです。装置とは言ってもブラシと整流子という2種類の部品を使った単純なものです。図2をよく見てみましょう。このように電磁石が水平な状態ではブラシが整流子のすき間のところにあって黒い整流子にも白い整流子にもブラシは触れていないので電流は流れません。電磁石はただの鉄のかたまりです。

モーターの回転モーターの回転この状態から図3のようにほんの少しだけ左に傾けたときには、右側のブラシから白で示した整流子を通って電流が流れます。右手の法則を使って電磁石のN極を確認すると、図の状態で右上がN極になっています。このN極は近くにある界磁石のS極と引き合って、電磁石が時計回りに回転します。 こんどは図4のように右に傾けたときです。こんどは右側のブラシから黒で示した整流子を通って電流が流れます。やはり右手の法則で調べると、図の状態で左上がN極になっています。このN極は近くにある界磁石のN極としりぞけあうので、ここでも電磁石が時計回りに回転し、いつまでも時計回りに回転することができるのです。

エナメルのはぎ方簡易モーターさて、次は作るのは簡単だけれど、しくみを理解するのはむずかしい簡易モーターです。簡易モーターは、図5のように銅線のまわりに電気の流れないエナメルをぬったエナメル線を10回くらい巻いて作ります。
図6のようにコイルを立てた状態で、一方のはしのエナメルをけずってすべてはがし、もう一方は下半分だけをはがします。この「半分だけはがすはがし方」が入試問題を解く際に重要(実際は全部はがしても回転する)になります。

永久磁石で考える簡易モーターのコイルは電磁石には違いないのですが、巻き数が少ないのでN極とS極がわかりにくくなっています。G図J図を見れば分かるように、H図でモーターのS極が真下に来たときからI図でN極が真下に来るまでの間は、電磁石の磁力が回転を止める方向に働いてしまうので、この間だけコイルに電流が流れないようにして、ここはだ性で回せばよいのです。クリップとコイルの接点はエナメル線の一番下の部分なので、上の図6で説明すれば、下半分のエナメルだけ削れば良いことが分かります。そこで、モーターの回転をわかりやすく表現するために「合格自在」では見えない永久磁石を図7のようにに書きこんで説明をしてみました。この状態で簡易モーターの回転を考えましょう。

簡易モーターの回転上の図を見れば分かるように、モーターの回転中、H図でモーターのS極が真下に来たときからI図でN極が真下に来るまでの間はコイルに流れる電流はコイルの回転を止める方向の磁力を生み出してしまいます。そこで、この間だけコイルに電流が流れないようにして、その間はだ性で回せばよいのです。そのためには、クリップとコイルの接点はエナメル線の一番下の部分だから、上の図2の状態で下半分のエナメルだけをけずれば回転を続けることができると分かります。

 

(中学受験理科で質問が多い 簡易モーターと電流、磁界 に関する解説と教え方ページです) 

理科の勉強部屋

ご質問・ご連絡はフォームでお願いします。

理科の勉強部屋

  • メールでお問い合わせはこちら

会員ログイン

You are not logged in.

ーーーーー リンク集 ーーーーー

もののしくみ研究室

学研ロボティクス

首都圏模試

首都圏模試リンク

Access

アクセス情報リンク

Jmedia

日本メディア教育株式会社

中学受験の映像サイト。

PAGETOP
Copyright © 中学受験理科の玉手箱 All Rights Reserved.
Powered by WordPress & BizVektor Theme by Vektor,Inc. technology.