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単極モーターいろいろ

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2007-06-08
2008-10-24動画入れ替えおよび追加、一部加筆

単極モーターとは

単3形アルカリ乾電池とクギ（あるいは木ネジ）、導線、

ネオジム磁石（直径15mm×厚さ5mm）、たったこれだけで、勢いよく回転するモーターが簡単に作れます。組み立て方は写真を参考にしてください。試してみたところ、アルカリ電池でなくてもニッケル水素充電池（

SANYOエネループ単3形）で動くことが分かりました。下右の写真は回転中の単極モーターで、通電を止めてもしばらくの間は惰性で回転を続けるくらい、うなりをあげてものすごい勢いで回転します。よく見ると、導線とネオジム磁石の接触点で火花が散っているようにも見えます。

単極モーターは、科学工作のネタとして大流行したものですが、その由来をたどると、1821年の

マイケル・ファラデーによる発明にまでさかのぼることができるそうです。ところで

homopolar motor あるいは

unipolar motor のどちらも検索でヒットしたのですが、どちらが正しいのでしょうか？

銅線を用いた単極モーター

導線ではなくて、銅のワイヤー（#18）を使うともっと面白い形のものが作れます。これもネットのマネをして作ってみました。

こんなのも、マネして作ってみました。回転速度が速くなっていくと、遠心力でバランスを崩しやすくなります。ワッシャーを電極に置いておくと、ずっとバランスよく回り続けてくれます。ただし、あまり長時間回し続けると

ジュール熱で銅線が加熱します。やけどに注意！

単極モーターカー

さらに調べていくと単極モーターを走らせる動画を見つけました。というわけで、これもマネして作ってみました。単3形電池の両極に、磁極の向きを反対向きにして2個のネオジム磁石をつけます。導線を曲げ、両極の磁石に接触させるように置くと、電池ごと回転しながら導線を引きずって走り出します。これは面白い！

この単極モーターカーをアルミホイルの上に置いても、同じように走り出します。これも面白い！
アルミホイルの上に置きっぱなしにしたり、長時間連続で走らせないでくださいね。電池も熱くなりますから。

2007-06-26追記

単極モーターとフレミング左手の法則

単極モーターは

フレミングの左手の法則をダイレクトに示すものです。私は単純に、親指の方向に物が動く（単極モーターの場合には磁石が動く）と思っていたのですが、そういう訳には行かないことを初めて知りました。

上の図で、手前向きの力は

ローレンツ力を示します。ローレンツ力とは電磁場の中で運動する荷電粒子が受ける力です。通常のモーターは回転子にコイルが巻いてあり、この中を移動する電子が力を受けることで、コイルが回転します。上図では、導線を移動する電子がローレンツ力を受けて、手前側に導線を動かそうとします。しかし導線は指で固定されているので動きません。そのため、導線に対する作用の反作用を受けて磁界が逆回転しようとします。それが単極モーターを回転させるのです。上の図では力の向きの反対向きに（電池側から見て反時計回りに）磁石が回転します。