なんでだろう?
磁石を一直線に並べ、その両側に金属のレールをしきます。
レールに電流を流して、軽いスポンジでつくった模型を置くと勢いよく滑りました。
まるで、リニアモーターカーのようですね。
模型は、いったいどんな力で動いたのでしょうか?
そうなんだ!
スポンジの模型を動かしているのは、磁力と電流の作用で生まれる「ローレンツ力」です。
磁力のはたらく空間(磁界、磁場)で導線に電流を流すと、電流は一定の向きに力を受けます。
この関係は、フレミング左手の法則として下図のように表されます。
この実験は簡単なしくみですが、実はこれも立派なリニアモーターです。
リニアモーターは「直線のモーター」という意味で、回転するモーターを切り開いて帯のようにつないだものです。
リニアモーターは、直線的な動きを必要とする場合は回転モーターよりも都合が良いので、鉄道や機械など多くの場所で使われるようになってきました。
![](/resource/img/library/no201/content02.jpg)
1.円形のフェライト磁石(直径約2cm) 30個
2.透明なプラスチックの下敷き(A4) 1枚
3.アルミテープ 4cm×30cm
4.アルミホイル
5.ストロー 1本
6.単1形乾電池 6個
7.ネオジム磁石 7個
8.クリップ付きリード線 2本
9.メラミンスポンジ 4cm角 1個
・カッターナイフ
・はさみ
・定規
・両面テープ
![](/resource/img/library/no201/tool01.jpg)
実験で使用した材料の詳細
・フェライト磁石 大創産業 強力マグネット(直径約20mm)25コ入
・下敷き 大創産業 A4 Drip Mat カラー下敷 半透明
・アルミテープ 大創産業 キッチンアルミテープ(幅7cm×長さ3m)
・アルミホイル 大創産業 アルミホイル(長さ約24m×幅約25cm)
・ストロー 大創産業 ストレートカラーストロー
・乾電池 大創産業 マンガン乾電池単一形(2個入)
・ネオジム磁石 大創産業 超強力マグネットミニ(8コ入)
・メラミンスポンジ コーナン商事 メラミンスポンジ ピカイチ
[実験の注意]
・NGKサイエンスサイトで紹介する実験は、あくまでも家庭で手軽にできる科学実験を目的としたものであり、工作の完成品は市販品と同等、もしくは代用品となるものではないことを理解したうえで、個人の責任において実験を行ってください。
・必ず手順を読んでから工作・実験を行ってください。
・器具の取り扱いには十分注意し、けがをしないようにしましょう。
・小学生など低年齢の方が実験を行う場合は、必ず保護者と一緒に行ってください。
まずは簡単なストローを動かそう!
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1
図の寸法に切った下敷きに、15個の磁石を極(N/S)の向きをそろえて、両面テープで一直線に貼りつけます。
下敷きの磁石がついていない面(表)の両側に、幅15mmに切ったアルミテープを貼り、5mmほど裏に巻き込みます。 -
2
レールの磁石がついてない面を上にし、アルミテープを定規でしごいて、なめらかに仕上げます。
乾電池2個を直列につなぎ、リード線で2枚のアルミテープにつなぎます。 -
3
ストローを5cmに切って、アルミホイルを巻きつけます。
2枚のアルミテープをまたぐように置くと、前後どちらかに動きます。
電池の極(+/−)を逆にすると、ストローも逆に動きます。
【上級編】 リニアモーターカーに挑戦!
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1
レールの磁石を2枚重ねにします。
-
2
メラミンスポンジをカッターナイフで削って車体をつくります。
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3
アルミホイルで図のような部品をつくり、車体底面の後ろ寄りに両面テープで固定します。
レールに置いたときに車体の後部が少し浮くように調節します。 -
4
レールの磁石がついてない面を上にします。
電池を6個に増やして直列につなぎ、「リニアモーターカー」を走らせてみましょう。※実験が終わったら、電池をはずしましょう。
実験を成功させるコツとヒント
・レールに使うフェライト磁石は、必ず同じ極を同じ側に向けて並べてください。また、磁石と磁石の間にすき間ができないように、両面テープでしっかり貼りつけてください。
・レールに貼ったアルミテープは、表面や左右の角をなめらかに仕上げてください。また、時間がたつと表面が酸化して電流が流れにくくなるので、ときどきメラミンスポンジで磨いてください。
・模型をうまく動かすためには、摩擦をできるだけ小さくするのがポイントです。なるべく軽く仕上げ、レールと接する部分を小さくしてください。また、進行方向に対して後ろ側を浮かす方がよく走ります。
・模型などが通電したレールの上に置かれたままになると、過熱する恐れがあります。実験が終わったら電池をはずしてください。
模型の動く向きは何で決まる?
フレミングの左手の法則は、電流の向き、磁界の向き、ローレンツ力を受ける方向を左手の中指、人さし指、親指にあてはめ、それぞれが90°の角度になるように表します。
中指(電流)や人さし指(磁界)の向きを変えて、親指(ローレンツ力)がどちらを向くか確かめてみましょう。
実験で使ったタイプの磁石は、見かけではN極S極の区別がつきませんが、磁石のつくる磁界はN極からS極へ向かっています。
電流を左(+)から右(-)に流して模型が手前に動いたら、N極が上を向いていることになります。
リニアモーターカーは、もう全国で走っています
未来の技術のように思われているリニアモーターカーですが、実はすでに全国各地で使われています。
リニアモーターは小さくしやすく、車体もコンパクトにできます。
そのため、小型化された地下鉄路線(ミニ地下鉄)では1990年代からリニアモーターカーが採用されています。
ミニ地下鉄の電車は、車体を車輪で支え、推進力にローレンツ力を応用したリニアモーターを使います。
超電導磁石で「浮かせて走る」リニア新幹線
リニアモーターカーにはさまざまな方式があり、リニア中央新幹線で使われるのは超電導磁気浮上式です。
簡単に言えば、車体の電磁石と地上のコイルとの間で、磁石の引き合う力と反発する力をたくみにコントロールして、車体を浮かせて走行する方式です。
非常に強力な超電導磁石を使用することで重い車体を浮上させ、航空機並みの速度を実現しました。リニア新幹線は、日本が誇る先端技術の結晶です。
NGKサイエンスサイトで紹介する実験は、あくまでも家庭で手軽にできる科学実験を目的としたものです。工作の完成品は市販品と同等ではなく、代用品にもならないことを理解したうえで、個人の責任において実験を行ってください。
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