アラゴのローテーション
図1.—アラゴの回転円盤
図2.—ババッジとハーシェルの実験
図3.—バベッジとハーシェルが使用したスリット円板

アラゴ回転は、磁化された針と移動する金属円板との相互作用によって生じる、観測可能な磁気現象です。この効果は1824年にフランソワ・アラゴによって発見されました。発見当時、アラゴ回転は驚くべき効果であり、説明が困難でした。1831年、マイケル・ファラデーは電磁誘導の理論を提唱し、この効果がどのように発生するかを詳細に説明しました。

歴史

初期の観察と出版物

他の科学分野でよくあるように、磁気回転の発見は複数の人物によってほぼ同時になされ、その全員が優先権を主張している。1824年頃、パリの著名な計器製作者ガンベイ[ 1 ] [ 2 ]は、コンパスの針が支点を中心に振動するように設定されている場合、コンパスボックスの底が木や他の材料の場合よりも銅製の場合の方が早く静止することを偶然観察した。ウーリッジのバーロウとマーシュ[ 3 ]は、同時期に磁針の近傍で鉄球を回転させると磁針にどのような影響が及ぶかを観察していた。天文学者のアラゴ[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]はガンベイからこの現象を学んだと言われているが、1822年にフンボルトと磁気測定に取り組んでいた時に独自にこの現象を発見したとも言われている。 [ 7 ]アラゴは、1824年11月22日にパリ科学アカデミーの前で口頭でこの観察記録を発表した最初の人物であることは疑いようがない。アラゴはコンパスの針を異なる材質のリングに吊るし、針を約45度傾けて、振り角が10度に減少するまでの針の振動数を数えた。木製のリングではその数は145、薄い銅のリングでは66、頑丈な銅のリングではわずか33であった。

回転の磁性

銅塊の存在は、針の振動を減衰させる効果があります。それぞれの振動は以前と同じ時間ですが、振幅は小さくなり、まるで目に見えない摩擦が働いているかのように、動きは弱まります。アラゴは、これは磁石の針と銅塊の間に相対運動がある間のみ存在する力の存在を示す証拠だと指摘しました。彼はこの現象を「回転磁気」と名付けました。1825年、彼はさらなる実験を発表しました。作用反作用の原理に基づき、銅円盤の動きによって静止した針に反作用を生じさせるという実験です（図1）。底を紙またはガラスで閉じたガラス瓶に方位磁針を吊り下げ、回転する銅円盤の上にかざしました。円盤がゆっくりと回転すると、針は磁気子午線から外れ、円盤の回転方向に回転する傾向があります。まるで目に見えない形で円盤に引きずられているかのように。回転が速いほど、このずれは大きくなります。回転が非常に速く、針が90°以上引きずられると、連続的な回転が発生します。しかしアラゴは、この力は単なる接線方向の力ではないことを発見しました。回転する円盤の上に天秤の梁から針を垂直に吊り下げると、円盤が回転すると針が反発することを発見しました。円盤に最も近い棒にも放射状の力が作用し、棒が円盤の端に近い場合は放射状外向きに、中心に近い場合は放射状内向きに力が働きます。

図4.—ファラデーディスクマシン

クーロンの遠隔磁気作用に関する概念に深く傾倒していたポアソンは、回転磁気の理論を構築しようと試みた。この理論は、すべての物体は磁石の存在下で一時的に磁性を帯びるが、銅の場合はこの一時的な磁性が消失するのにより長い時間を要すると主張した。アラゴはこの理論が事実を説明できていないと指摘したが、無駄だった。いわゆる「回転磁気」は、固定観念と化す恐れがあった。

他の科学者による現象の調査

この段階では、この現象はバベッジとハーシェル、クリスティ、後にスタージョンとファラデーといったイギリスの実験者数名によって調査されていた。バベッジとハーシェルは、異なる物質が針に及ぼす減速力の大きさを測定し、最も強力なのは銀と銅（この2つは最も電気をよく伝導する）であり、これに次いで金と亜鉛、鉛、水銀、ビスマスは力がはるかに劣ることを発見した。1825年に彼らはアラゴの実験を逆転させることに成功したと発表した。というのは、彼らは軸でつながれた銅の円盤の下で磁石を回転させることで（図2）、円盤を活発に回転させたからである。彼らはまた、銅の円盤に放射状に切り込まれたスリット（図3）が、回転する磁石による円盤の回転傾向を弱めるという注目すべき観察も行った。スリットのない円盤の回転力を100とすると、放射状のスリットが1つあると回転力は88に減少し、放射状のスリットが2つあると77、4つあると48、8つあると24に減少します。 1826年、アンペレは回転する銅板が、電流が流れている隣接する銅線に回転モーメントを及ぼすことを示しました。ドイツのゼーベック、スイスのプレヴォーとコラドン、イタリアのノビリとバチェリは、イギリスの実験者たちの観察を裏付け、さらに他の研究者も加えました。スタージョンは、移動する銅板に対する磁極の減衰効果は、最初の磁極の横に反対の磁極を配置することで減少することを示しました。 5年後、彼はこの研究に戻り、この現象は電気的擾乱、つまり「電磁気学で起こる現象に対する一種の反応」であるという結論に至った。1831年、ファラデーによる磁気電気誘導に関する輝かしい研究論文が発表されたことで、彼が探し求めていた現象の完全な説明は未だに得られていなかった。実際、ファラデーは、磁石と銅板の相対運動によって、必然的に板の金属部分に電流が生じ、その電流が磁極に作用して相対運動を弱める方向の相互作用力、つまり固定側（磁石であれ板であれ）を可動側の方向に引き寄せ、可動側の動きに常に抵抗する方向の相互作用力が生じることを示していた。実際、この電流は、摺動接点によって誘導されない限り、可動板内で渦を巻いている。

ファラデーとマテウチによる渦電流の実験

ファラデーは実際にこれを実現しました。彼は銅の円盤を強力な磁石の極の間に端から挿入し（図4）、回転させました。円盤の端と軸には電流を取り出すためのバネ接点が押し付けられていました。円盤の運動と磁界の線に対して直角に作用する起電力は、円盤の半径に沿って流れる電流を発生させます。外部に電流経路がない場合、電流は円盤の金属内部に内部帰路を見つけなければなりません。

図5は、磁極間を回転する円板に一対の渦が形成される様子を示しています。これらの渦は、最大起電力半径の両側に対称的に配置されています[ 8 ]（図6）。

渦電流の循環の方向は、常に相対運動に逆らう傾向があります。極から離れる部分の渦電流は、極を前方に引き寄せるか、ディスクのこの部分を後方に引っ張る傾向があります。極に向かって進む部分の渦電流は、それらの極を反発し、またそれらに反発される傾向があります。ディスクに切り込まれたスリットは、渦電流の流れを制限する傾向があり、それを制限することによって金属内の渦電流の可能な経路の抵抗が増加する可能性がありますが、起電力は減少しません。 Sturgeon [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]の研究では、ディスク内を渦電流が流れる方向を確認するための多くの実験が説明されています。 Matteuciも同様の、より包括的な研究を行いました。回転する球面における誘導は、ヨッホマンによって数学的に研究され、その後ヘルツによって研究されました。

ファラデーは渦電流に関する興味深い実験をいくつか行った。その一つとして、強力な電磁石の両極の間に、ねじれた糸で銅の立方体を吊るした（図7）。電流を流す前に、立方体はその重みで糸のねじれをほどき、急速に回転した。電流を流して電磁石を励磁すると、立方体は瞬時に停止するが、電流を切るとすぐに再び回転し始めた。マテウチはこの実験に変化を加え、紙で区切られた正方形の銅板を積み重ねた立方体を作り上げた。この積層立方体（図8）を、磁界中にフックaで吊るし、その層が磁界線と平行になるようにすると、電磁石の電流を突然流しても回転を止めることができなかった。一方、フックbで吊るし、その層が垂直面になるようにして回転を開始すると、電磁石を励磁すると直ちに回転が停止した。後者の場合、渦電流は磁力線に対して直角の平面内の経路を必要とするため、循環することができます。

図5.—回転ディスク内の渦電流
図6.—渦電流の経路

ファラデーがアラゴ回転を誘導渦電流のみによるものと説明したことで、原因不明であった間に巻き起こった特異な関心は、ほぼ消滅したように思われる。確かに、数年後、フーコーが、抗力にもかかわらず磁場中で回転を強制的に継続させると、金属円板が加熱されることを示したことで、関心は再び高まった。この観察結果から、アラゴの現象を説明するためにファラデーが発見した渦電流が、なぜフーコー電流と呼ばれるようになったのかは明らかではない。もし渦電流に自分の名を冠する栄誉にふさわしい人がいるとすれば、それは明らかにファラデーかアラゴであり、フーコーではない。少し後に、ルルーは、同心円状の磁極の間で回転する銅円板は加熱されず、抗力も受けないというパラドックスを提示した。これは以下のように説明される。ディスクの片面の前に環状のN極があり、もう片面の前に環状のS極がある場合、ディスク全体に磁場が発生しても渦電流は発生しません。なぜなら、ディスクの周囲全体に、放射状内側または放射状外側に向かう等しい起電力が存在する場合、ディスクのどの半径に沿っても電流の帰路は存在しないからです。周辺部は中心とはわずかに異なる電位を持つだけで、ディスク内のどの閉経路の周りの起電力も釣り合っているため、電流は流れません。

他の科学者による銅板を使った実験

1884年、ウィロビー・スミスは回転する金属円盤に関する研究を発表し[ 12 ]、鉄の円盤は同じ大きさの銅の円盤よりも優れた起電力を生み出すことを発見した。

1879年、ガスリーとボーイズ[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]は、ねじり糸を使って回転する磁石の上に銅板を吊り下げ、ねじりが回転速度に正比例することを発見しました。彼らは、このような器具が機械の速度を測定するのに非常に正確であると指摘しました。彼らはまた、銅板と磁石の間の距離、そして銅板の直径と厚さを変化させた実験も行いました。

様々な金属を用いて実験が行われ、金属を板状に圧延した後の導電性を判断できる範囲で、トルクは金属の導電性に応じて変化することが判明した。その後、ガスリー氏とボーイズ氏はこの方法を液体の導電性測定に応用した。

1880年、ド・フォンヴィエルとロンティンは、軽く回転する銅の円盤を、磁石の存在下で長方形の枠（古い検流計のコイルのようなもの）に巻かれた銅線のコイルの中に置き、一般的なルームコルフ誘導コイルから交流電流を供給することで、一度回転を開始すれば連続的に回転し続けることができることを発見した。彼らはこの装置を電磁ジャイロスコープと呼んだ。

1879 年以前には、アラゴ回転をモーターの製造に利用できるとは誰も考えていなかったようです。

アラゴの回転の簡単な説明

磁針は、銅製の円盤から少し離れた位置に、支点または紐で自由に吊り下げられています。円盤が静止している場合、磁針は地球の磁場と一直線になります。円盤が自身の平面内で回転している場合、磁針は円盤と同じ方向に回転します。（磁石と円盤の距離が離れるほど、磁針の磁力は弱まります。）

図7.—強力な電磁石内の銅の立方体
図8.—磁場中の積層立方体

バリエーション:

  • ディスクが最小限の摩擦で自由に回転し、針をディスクの上または下に回転させると、ディスクは針と同じ方向に回転します。（針がより大きな磁石であれば、この回転を観察したり測定したりしやすくなります。）
  • 針が回転できない場合、針の存在によってディスクの回転が遅くなります。（針が大きな磁石であれば、この現象を観察したり測定したりしやすくなります。）
  • 導電性を持つ他の非磁性材料（銀、アルミニウム、亜鉛などの非鉄金属）もこの効果を生み出します。
  • 非導電性、非磁性の素材（木材、ガラス、プラスチック、氷など）では効果は得られません。

導体と磁石の相対運動は導体に渦電流を誘導し、この渦電流が相対運動に抵抗する力、つまりトルクを発生させ、物体を「結合」させようとします。この抗力のような力は、渦電流ブレーキや磁気減衰にも利用されています。

参照

さらに読む

参考文献

  1. ^ジャミン、パー M. (1869)。クール・ド・フィジーク。 Vol. Ⅲ．パリ：ゴーティエ・ヴィラール・エ・フィス。 p. 296.
  2. ^ヴェルデ、E. （1972年）。カンファレンス・デ・フィジーク。 Vol. I. パリ: インプレッション数ナショナル。 p. 415.
  3. ^ジェイムソン、ロバート (1825). 『エディンバラ哲学ジャーナル』 アーチボルド・コンスタブル社、エディンバラ、p. 122.
  4. ^ゲイ＝リュサック、JL;フランソワ・アラゴ（1824年）。筋肉と肉体の分析。 Vol. 27. パリ：シェ・クロシャール。 p. 363.
  5. ^ゲイ＝リュサック、JL;フランソワ、アラゴ（1825年）。筋肉と肉体の分析。 Vol. 28. パリ：シェ・クロシャール。 p. 325.
  6. ^アラゴ、フランソワ;ゲイ＝リュサック、JL（1826年）。筋肉と肉体の分析。 Vol. 32. パリ：シェ・クロシャール。 p. 213.
  7. ^アラゴ、フランソワ;フローレンス、ピエール (1856)。ムーヴル、『ド・フランソワ・アラゴ』を完成。 Vol. 4. パリ: ジッドとJ. ボードリー。 p. 424.
  8. ^回転速度が非常に速い場合を除きます。その場合、渦回路の自己誘導により、最大電流の半径の位置が最大起電力の半径よりも前に移動する時間差が生じます。
  9. ^エディンバラ哲学ジャーナル. ニューヨーク: アーチボルド・コンスタブル. 1819年.
  10. ^ウィリアム・フランシス (1932). Philosophical Magazine And Journal of Science . ロンドン: Taylor and Francis.
  11. ^スタージョン、ウィリアム (1850). 『科学的研究』 ベリー: T. クロンプトン. p. 211.
  12. ^ティンダル、ジョン（1884年）王立研究所での講演：「ボルタと磁気誘導」。
  13. ^ Proceedings of the Physical Society . Vol. 3. ロンドン: Taylor and Francis. pp. pt.
  14. ^ Proceedings of the Physical Society . Vol. 3. ロンドン: Taylor and Francis. p. 127.
  15. ^ Proceedings of the Physical Society . 第4巻. ロンドン: Taylor and Francis. p. 55.

パブリックドメインこの記事には、パブリックドメインである以下の文献からのテキストが組み込まれています：Polyphase Electric Currents and Alternate-Current Motors . London, Sponn & Chamberlain. 1895.

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