Simple Neodymium Motorcar(簡単 ネオジム モーターカー )



実験3の装置。乾電池の両端にネオジム磁石を同一極を向き合わせてくっつけ,銅線のループ(閉回路)を磁石の側面に乗せる
○こんな実験です
乾電池の両端にネオジム磁石を同一極を向き合わせてくっつけ,金属板上に乗せたり,銅線のループ(閉回路)を円盤型磁石の円周面に乗せたりすると走り出す車の実験をします。
 
○こんなことが学べます
ネオジム磁石上を流れる電流と,ネオジム磁石による磁界により,フレミングの左手の法則にもとづく電磁力が発生し,ネオジム磁石を回転させようとする力が生まれることが分かります。

○こんな仕組みです 
ネオジム磁石の成分は
Nd2Fe14Bで電気抵抗率:1.3x10-2Ωm,メッキ部分のニッケルは6.99 × 10-8Ωmとあり,電流はニッケルメッキ部分のみ流れると考えていいです。このメッキ部分をネオジム磁石のN極から出る強い磁界が貫くため,電流と磁界による電磁力が,フレミングの左手の法則にしたがって生じ,円盤型磁石の側面(乾電池側の円形の面と円周の側面)に,強い回転させようとする力(または力のモーメント)を生じます。

○動画を見る
実験1 乾電池を銅板に乗せたときの運動   
実験2 乾電池の後方に閉回路を作ったときの運動  
実験3 
乾電池の前後に閉回路を作ったときの運動 

実験2の装置。閉回路を進行方向の後ろ側に持ってきたもの

乾電池側にN極を向けたときの磁力線分布を磁界観察槽で見る。磁石の周囲にNからSへ向かう強い磁界ができている。また,乾電池の側面も弱いN極になっている。

ネオジム磁石の断面。ニッケルメッキが施されている

電池の正極へくっつけたネオジム磁石に電流を流したときに働く力の向き。ネオジム磁石の乾電池側の円盤面に働く電磁力も,円周の側面に働く電磁力も,いずれも上から見て時計回り,下から見て反時計回りになっている

乾電池の前後に閉回路をつくると,電流が多く流れるため,電磁力も大きくなり動きやすくなる。また,前後の銅線にはたらく重力のバランスがとれる(上橋智恵さん解説)のも動きやすさに寄与している。実験3で動きを確認しよう
○準備しよう 
円盤状ネオジム磁石(電池の半径より大きい物,ダイソーのものは4個使用),銅線0.5〜1.0mm,単4電池,ガラスビーズ数個,銅板またはアルミホイル,ペンチ

○入手のしかた
ネオジム磁石:ダイソーの「超強力マグネット」

○作ってみよう 
@ 方位磁針でネオジム磁石の極を確認し,N極が内側を向くように乾電池の両端に磁石をくっつけます。ダイソーの磁石では片側2個一組にします。
A 銅線にビーズ玉を通し,ペンチで曲げて閉回路を作ります。

○実験方法
実験1 @を平らな銅板やアルミホイルを机にセロハンテープ等でとめ,その上に置くと動きます。
実験2,3 @のネオジム磁石の上にAをそっと乗せると動きます。

○実験の注意
@大きな電流が流れるので,銅線と電池が熱くなることがあります。発熱に注意しましょう。 
A電池の消耗が早いので,充電式電池の方が経済的です。

金属板上に置いたときの電磁力による回転の説明。電流は乾電池の直下の金属板を,正極から負極に向かって流れる。電池側のネオジム磁石面の磁界は,いずれも電池側を向いており,回転のための力は,いずれもネオジム磁石を手前から見て反時計まわりに回そうとする。実験1で動きを確認しよう
○開発にあたって
この車は姫路の上橋智恵さんから紹介いただきました。You-tubeにアルミ箔の上を進むものと,針金を後方に乗せたものが紹介されていますが。この原理を二人で数週間検討し,「ネオジム磁石側面を流れる電流に働く電磁力による力のモーメント」に到達しました。なお,上橋智恵さんの「智恵の楽しい実験教室」の「第2部 おもしろ自由研究」の「単極モーター」にネオジム磁石の円盤面上を流れる電流による電磁力が解説されています。
フレミングの左手の法則や,モーターの原理が学べる興味深い教材だと思います。

ダイソーで販売されているネオジム磁石を使用

銅線を加工し,摩擦軽減のため,ビーズを通した