渦電流

質問

初心者の質問ですので、質問内容や用語の使い方に間違いがあるかもしれませんことを最初に申し上げて起きます。

小４の子どもが自由研究で「コイン選別装置」に取り組んでいます。
たとえば、東北電力のHPにある
http://www.tohoku-epco.co.jp/kids/wakuwaku/04haru10.html
のようなものです。

実際に装置を作り、
１円玉から５００円玉の６種の硬貨を使い、
ネオジム磁石の数を変えて、装置から飛び出して落下した地点の距離を計測したところ、
１円玉で明確な影響が、１０円玉で中程度の影響が、
そして他の硬貨では影響が見られず硬貨の種類や磁石の個数を変えてもほぼ同じ数値に収まる・・・・
という実験結果を得ました。

そこで考察に入り、
・ネオジム磁石を通過する際に、電磁誘導が発生し、硬貨に渦電流が発生する
・フレミング左手の法則により、硬貨の落下と反対方向に力が働くため、ブレーキがかかった状態になる
・よって、落下スピードが落ち、落下飛距離が短くなる
という原理が働いているのではないか、と
ネット上の情報や中学理科の教科書から、親子で考えました。

次に渦電流の影響が　１円玉　＞　１０円玉　＞　他の硬貨　となったことについて考察をはじめたのですが、
ここで行き詰まっています。

子どもの考えでは、
・硬貨にかかるブレーキは、硬貨に流れる渦電流の大きさが大きいほど大きくなる
・だから、電流が流れやすい金属ほど、渦電流の影響を受けやすい
・１円玉はアルミ100％、１０円玉は銅95％、他の硬貨は銅60～75％。
でも、
・電気抵抗率は銅が１．７、　アルミは２．８
なので、
アルミよりも銅の方が電流が流れやすいから、１０円玉の方が渦電流の影響を受けるはずなのでは？　とのこと。

根本的に考え方が違うのかなぁ、と悩んでいますが、
私も中学物理レベルの知識しかないので、この考え方に穴を見つけることができません。

「すべり落ちるスピードは重い方が速い気がするから、軽い１円玉はスピードが殺されてしまい易いのかも」
と、各硬貨の重さを計測し（２０枚で測って平均値を出しました）、
1円玉　1g、５～100円玉は3.75g～4.8gで同じ位、500円玉は7g
と、1円玉だけが極端に軽いことは立証したのですが・・・・。

このまままとめてもよいのですが、いまいち納得しきれないようです。
何か他に考えなくてはならないポイントがあれば、
キーワードだけでよいので、教えていただけませんか。

素人の質問で申し訳ありませんが、よろしくお願いいたします。

回答No.4

gn_drive

この場合、コインの平たい方の表面積方向に磁束変化が大きく作用するので、
１円は軽いので表面積当りというか体積当りに換算した力が発生したとして、板厚が薄くても電磁力による減速効果が他のコインより現れたのだと思います。

１０円と他のコインは抵抗率の違いが作用したのだと思います。

渦電流損の式は以下に載ってます。どれも非磁性の金属なので、透磁率の影響（磁束密度）は気にしなくても良いのではと思います。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%89%84%E6%90%8D#.E6.B8.A6.E9.9B.BB.E6.B5.81.E6.90.8D

お礼

子ども自身が
「外国のお金でみたことがあるけど、厚いコインってあるよね？
　あれだと、同じサイズでも重いけどどうなるんだろう」
と言っていました。

言葉は足りないですが、つまりは、表面積と体積のどちらが
この実験における「ブレーキ効果」として働くのか、
という着眼点なんだろうと思います。
それを、実験の形にするまでには至らず・・・というあたりが、
あくまで小学生の夏の自由研究なのですが。

子どもに付き合って調べているうちに、
親の私の方が、「こういう力が働いているのね」と、
素人ながらにとても興味が湧いて楽しくなりました。
ごく当たり前のことなのですが、
何か物ひとつ作るのも、
いろいろな力の働きや作用を考えなければならないわけで、
私たちの日常生活は、
そういう技術と、
それを支えている知識や研究の膨大なバックグラウンドの上に成り立っている・・・
それに改めて感謝しました。

みなさま、たくさんのヒントをありがとうございました。

回答No.3

rnakamra

かかる力の大きさが等しければ、ブレーキの効果は質量に反比例します。
質量の小さい(軽い)硬貨の方が質量の大きい(重い)硬貨よりも止まりやすいのです。

二つの硬貨の質量も考慮に入れたほうが良いでしょう。

お礼

小学生向けに言えば、
ブレーキの性能が同じであれば、
ダンプカーと軽自動車では、ダンプカーの方が止まりにくい、ということですよね。

子どもと話していて思ったのですが、
小学生の彼の理解では、
速度（スピード）と加速度を明確にわけて考えていないようです。
まったく分けていないわけではないのですが、
「加速度」という言葉を知らないが故に、
どちらも「スピード」という言葉になってしまい、
その結果、２つをきちんと分離して理解できていないようです。

「1円玉は1つ目の磁石の渦電流によって殺されたスピードが、
次のスピードにのらないうちに、
次の磁石にまたスピードが殺されるのを繰り返すから、
結局、スピードが出ないから、飛ばないんだ」
という言葉になっています。

今回は、本人が気づかないので、そのまま放っていますが、
いつか「加速度」という言葉を目にしたときに、
彼の頭の中で、これまでのことがきれいに整理される・・・かもしれません。

よいヒントをありがとうございました。

回答No.2

tance

磁石がないとどれも同じ所に落ちますか？　まずはここからチェックしてください。

最初の磁石の位置でのスピードはどれも同じではないでしょうか。直径の小さい
コインの方が回転させるのに必要なエネルギーが少なくて済むのでスピードは
速いかもしれません。（ヒントキーワード：慣性モーメント）

ブレーキ力は渦電流で生じますが、その結果生じる速度の低下は、コインの
質量（重さのようなもの）にも関係します。軽くて電気の通りやすいものが
一番強いブレーキとなります。

100円玉や500円玉は磁性がなかったでしたっけ。（磁石につきませんか？）
磁性があると磁石に吸い寄せられるので渦電流とは別のブレーキがかかります。

お礼

磁石がないと、どれも同じところに落ちます。
これは実験で確認済みです。

また、１００円玉や５００円玉を含めて、
すべての硬貨に強磁性がなく、
磁石にくっつかないことは確認済みです。

「慣性モーメント」・・ちょっと調べてみましたが、
正直、よく理解できませんでした。
頭の片隅に入れておいて、また少しずつ勉強します。
ただ、硬貨は円形だから「回転」して動いているのにそれを考えず、
「四角い金属片が坂道を滑るように移動している」
ように考えていました。
子どもの言葉でいえば「『転がりやすさ』を考えていなかった」
と気づきました。

よいキーワードやヒントをありがとうございました。

回答No.1

Cupper-2

5円玉の材質はどうしましょう。
まあ、渦電流に関しては銅合金よりもアルミのほうが…。

さらに、穴あきコインについて渦電流の流れをどう解釈するかですね。
これが面倒なので残念ですがアドバイスに留めさせてもらいます。

お礼

アドバイスありがとうございます。

5円玉の材質に関しては、
子ども自身が手元の本（ブルーバックスの「中学理科の教科書」）に
各硬貨の成分の一覧表を見つけ、
5円玉は銅６０～７０％、亜鉛３０～４０％としていました。

穴の有無には視点が向いていませんでした。
考えるいいヒントになりました。
ありがとうございました。