永久磁石を使った発電実験

質問

小学６年の息子が、夏休みの自由研究で、ヒント集の本から発電実験の再現を選んで取り組んでいますが、発電しているのかしていないのか確認できないようで、質問された自分（３０代の父親）にも何がいけないのかまったくわからず、投稿いたしました。

再現モデルは、装置を作ることが簡単に見えたファラデーの電磁誘導による渦電流発電の実験です。
馬蹄形の永久磁石の両極の間で薄い円板を回転させ、円板上に渦電流を発生させて、円板の中心付近と円周付近とで電位差を発生させ（中心の金属軸と円板のエッジを導線で接触させておく）、電流を流すという実験です。

馬蹄形の永久磁石が手に入らなかったので、家にあった割と強力な事務用のマグネットクリップ(冷蔵庫やホワイトボードにガチッとくっつけるタイプ)２つを、互いに引き合うように間隔(１ｃｍ程度)を空けて平行に固定し(間には木材片をはさんだ)、それらの間で円形に切ったアルミの薄板を回転させる装置を作りました。
しかし、本に書いてあるような円板のエッジに導線を接触させた状態で回転させるのに苦労していたので、円板を固定して磁石の方を回転させるようにアドバイスしました。

しかし、予想どおり、円板の導線途中につないだ豆電球は点灯せず、本に書いてあった２Ｖ起動の発光ダイオードに変えても点灯しません。
困ったあげく、電子ショップで中古で買ってきたアナログ電流計をつないだところ、ほんのかすかに針が振れたような気もしましたが、他の人を納得させるボリュームではないと思っています。電流計のレベル切り替えも怪しげですし。

さて、はて、何か根本的に間違っていますでしょうか？
それとも、このような実験では、発電量は微々たるものなのでしょうか？
恥ずかしながら他力本願になってきました。
息子はあきらめ気味です。

ご教示いただければ幸いです。

回答No.7

debukuro

円盤の周囲はつながっていると渦電流が発生するので切り離します。
ブラシはブリキ版を弓なりに反らせて回転盤の周辺に接触させればいいです。

お礼

再三のアドバイス、ありがとうございます。

＞＞円盤の周囲はつながっていると渦電流が発生するので切り離します。
ブラシはブリキ版を弓なりに反らせて回転盤の周辺に接触させればいいです。

ブリキを弓なりに。なるほど、やってみましょう。
科学実験には、工夫と知恵が必要なのですね！

回答No.6

ringouri

負荷は発光ダイオード（LED）で構いません。豆電球は20ｍA以上流さないと輝いてくれませんが、LEDであれば、5mAも流れれば結構輝きます。この場合は負荷電流を見ることになりますので、LEDの方がよいでしょう。もちろん、豆電球とLEDを比較するのも興味深いと思います。

相対的に磁石の方を回すという発想はいいですが、それなりの磁場を（広い面積で）発生する磁石であれば重さもそれなりでしょうから、矢張り円盤の方を高速で回転させることを考えた方がベターなような気がします。記述から想像しますに、現状では磁場の強さ、面積、均一性が充分でないような感じです。（反対向きの磁力線が円盤にかかっていたらその分相殺されて出力電力が小さくなります。マグネット・クリップの磁石を使用されているということですので、少し心配。）

渦電流を使った装置は簡単なのですが、発電原理は余程のプロで無い限り正確に理解出来ないくらい難しいのものです。
ですから、お子さんに自力で実験させる姿勢は素晴らしいですが、適確なアドバイスのためには、お父さんは電磁誘導や渦電流についてか、かなり勉強する必要があります。

昨今は、こうした親子の協業（ふれあい）が夏休みの自由研究の目的のひとつでもあるようですね。頑張ってください。

お礼

アドバイス、ありがとうございました。

＞＞負荷は発光ダイオード（LED）で構いません。豆電球は20ｍA以上流さないと輝いてくれませんが、LEDであれば、5mAも流れれば結構輝きます。この場合は負荷電流を見ることになりますので、LEDの方がよいでしょう。

この点は、自信を得ました。ありがとうございます。

＞＞相対的に磁石の方を回すという発想はいいですが、

うれしい評価です。

＞＞それなりの磁場を（広い面積で）発生する磁石であれば重さもそれなりでしょうから、矢張り円盤の方を高速で回転させることを考えた方がベターなような気がします。記述から想像しますに、現状では磁場の強さ、面積、均一性が充分でないような感じです。（反対向きの磁力線が円盤にかかっていたらその分相殺されて出力電力が小さくなります。マグネット・クリップの磁石を使用されているということですので、少し心配。）

洞察不足。所詮、道理のわかっていない素人でしたね。

＞＞渦電流を使った装置は簡単なのですが、

選んだ息子も、それを知った自分も、そう思ったのですが・・・

＞＞発電原理は余程のプロで無い限り正確に理解出来ないくらい難しいのものです。ですから、お子さんに自力で実験させる姿勢は素晴らしいですが、適確なアドバイスのためには、お父さんは電磁誘導や渦電流についてか、かなり勉強する必要があります。

厳しい状況です。相手は目に見えないのが辛い！

＞＞昨今は、こうした親子の協業（ふれあい）が夏休みの自由研究の目的のひとつでもあるようですね。頑張ってください。

親が手出しするなというのは昔のこと。おっしゃるとおり、親子のコミュニケーションを期待している面も大きいようです。親バカにならない程度に、夏期休暇に入った自分も夢中になりつつあります。

リアクション、本当にありがとうございました。

回答No.5

ahoahoaho3

＞＞「磁石を回転させる」のは、磁石を自転させてるのではないですよね？　自転させても、アルミは一定の磁場を感じつづけるので、渦電流はできません。
>うっかりです。相対的に回転していれば同じことと考え、マグネットクリップの中心穴部に菜箸の回転軸を通し、自転させていました。

原因らしきものがみつかってよかったです。
アルミ板の中心から棒を立てて、横棒を伸ばして磁石を固定するようにして、
立てた棒を回すのが簡単かと思います。

以下、横レスになり失礼しますが、
>普通の豆電球と２Ｖ起動の発光ダイオードでは、どちらの方が点灯しやすいでしょうか？

2V かけて初めて光るダイオードのことであれば、豆電球は1.5V の乾電池
でも光るので豆電球の方が点灯しやすいと思います。

動くといいですね。

お礼

再アドバイス、ありがとうございます。

＞＞原因らしきものがみつかってよかったです。アルミ板の中心から棒を立てて、横棒を伸ばして磁石を固定するようにして、立てた棒を回すのが簡単かと思います。

私がやってはいけないのでなかなか難しいようですが、実験キット（アラゴの円盤実験の再現キットがあります）の流用はしないで頑張らせたいと思います。
実験に失敗しても、それはそれで意味がありますからね。つまらなそうですが・・・。

＞＞2V かけて初めて光るダイオードのことであれば、豆電球は1.5V の乾電池でも光るので豆電球の方が点灯しやすいと思います。

発光ダイオードは２Ｖ以上で点灯するのですが、電流が少なくて済むので、本や電気ショップのおじさんが勧めていました。
豆電球は電流がかなり必要だということ。
今回の実験は、電圧と電流、どちらが決め手でしょうか？　（このような質問は程度の低い質問でしょうか？）

回答No.4

tadys

マグネットクリップをそのまま使ったのではうまく行かないでしょう。
コの字型、又はカップ型の金属の中の黒い部分が磁石の本体なので
これを取り出さないといけません。
（磁力線がコの字の部分に吸い込まれてしまい。遠くまで届きません。）
取り出す時に注意しないと怪我をしたり、磁石が割れてしまってうまく行かない事も考えられます。
東急ハンズや、インターネットで磁石が購入できますので、そちらのほうが良いかもしれません。

２つの磁石は引き合うようにして出来るだけ近づけて保持します。

円盤の材料には磁石に付かないものを使ってください。
アルミ板や銅板が良いでしょう。アルミフォイルをプラスチックの板に貼り付けても良いかもしれません。

豆電球をつけるにはかなりのスピードで円盤をまわす必要があると思います。
モーターなどを利用するのが良いでしょう。

以上のことは実際に実験してはいないのでうまく行かない可能性もあるので参考意見とします。

お礼

アドバイス、ありがとうございます。

＞＞マグネットクリップをそのまま使ったのではうまく行かないでしょう。東急ハンズや、インターネットで磁石が購入できますので、そちらのほうが良いかもしれません。

はじめから馬蹄形磁石を使えば良かったですか。

＞＞円盤の材料には磁石に付かないものを使ってください。アルミ板や銅板が良いでしょう。

アルミと銅で試しています。

＞＞豆電球をつけるにはかなりのスピードで円盤をまわす必要があると思います。モーターなどを利用するのが良いでしょう。

普通の豆電球と２Ｖ起動の発光ダイオードでは、どちらの方が点灯しやすいでしょうか？
モーターは使いません。

回答No.3

debukuro

試しに集電ブラシ無しで
磁石なしで円盤だけを回してみてください。
次に
磁石の中で円盤を回してみてください。
回転に違いがあるはずです。
円盤に発生した電力は円盤内で渦電流になって消費されるので外に取り出せないのです。
円盤ダイナモで何かを作動させるだけの電力を発生させるのは不可能です。
円盤ダイナモを止めて円盤に放射状の切込みを入れます。
この円盤の周辺に集電用のブラシを接触させます。
こうすれば円盤内の渦電流による損失を軽減できるので電流計で検出できるくらいの電力は取り出せると思います。
磁石を強くして回転を早くすれば豆電球が点灯するはずです。
オモチャのモーターなら十分な電力を発生させることが出来ます。

お礼

アドバイス、ありがとうございました。

＞＞円盤ダイナモで何かを作動させるだけの電力を発生させるのは不可能です。

やはり、そうですよね。
他のご回答者のアドバイスにあるように、実験のミスも一因ですが、理想と現実のギャップでしょうか。

＞＞円盤ダイナモを止めて円盤に放射状の切込みを入れます。この円盤の周辺に集電用のブラシを接触させます。

これは貴重なアドバイスです。
試してみたいところですが、円周まで切り離さなくてもよいでしょうか？
切り離すと、導線の接触回転装置を作るのは、私には不可能です。

＞＞オモチャのモーターなら十分な電力を発生させることが出来ます。

既製品を使わず、身の回りの物を集めて電気がつくれることを示したいようで、モーターは最後まで使わない努力をするそうです。

回答No.2

ahoahoaho3

導通チェックはされてますよね？

「磁石を回転させる」のは、磁石を自転させてるのではないですよね？
自転させても、アルミは一定の磁場感じつづけるので、渦電流はできません

磁石を別の軸のまわりで回転させていると解釈しますが、
磁石を回すとアルミが磁場を感じていない時間が増えるので
効率が悪くなるのが気になります。アルミを回した方が良いと思います

あと、木材で固定している磁石のどのくらい奥までアルミが入っているのかも
気になります。端っこしか入っていないということはないですよね？

磁石の間隔を狭めた方が磁束密度があがるので、起電力は増すと思います

お礼

アドバイス、ありがとうございました。

＞＞導通チェックはされてますよね？

それはしました。
アルミ円板とエナメル導線による回路は電気をよく通し、乾電池をつなぐと豆電球が明るく点灯しました。

＞＞「磁石を回転させる」のは、磁石を自転させてるのではないですよね？　自転させても、アルミは一定の磁場感じつづけるので、渦電流はできません。

うっかりです。相対的に回転していれば同じことと考え、マグネットクリップの中心穴部に菜箸の回転軸を通し、自転させていました。

＞＞木材で固定している磁石のどのくらい奥までアルミが入っているのかも気になります。端っこしか入っていないということはないですよね？

直径１０ｃｍのアルミ円板の半径の３／４ぐらいまでは食い込んでいます。

＞＞磁石の間隔を狭めた方が磁束密度があがるので、起電力は増すと思います。

ArukuMailさんと同じアドバイスですね。
これについては留意します。

回答No.1

ArukuMail

磁力の強さと、電気を流す導電線の容量で発電量がまう重要かとおもわれます。

・ホワイトボードにガチッとくっつけるタイプ)２つを、互いに引き合うように間隔(１ｃｍ程度)を空けて平行に固定し(間には木材片をはさんだ)
磁力が弱いもので１ｃｍも開けると格段に発電量が下がります。
その状態で電圧を上げるには、高速回転を行うしかないです

お礼

アドバイス、ありがとうございます。

１ｃｍでも広いですか・・・。
これ以上狭くすると、回転軸の水平保持が難しいですね。
時々接触しても大丈夫でしょうか？

この実験、工業高校生レベルなのでしょうか？