(57)【要約】【課題】単極誘導のおける不思議な現象を簡単に実験することができ、科学教材あるいは科学教育玩具として好適に用いることができる、自発回転ゴマ及びその回転方法を提供する。【解決手段】自発回転ゴマ１は、導電性を有する回転軸２と、前記回転軸が中心部を垂直に貫通するようにこの回転軸と同心状に固定された導電性を有する横断面円形の回転子３と、前記回転軸及び回転子と一体に回転し、回転子を軸方向に貫通する磁束を発生する永久磁石４、５とを備えており、自発回転ゴマ１を導電性を有する支持面上で初動回転を与えた状態で、回転子の外周側と回転軸側との間に半径方向に直流電流を通すことにより、周囲に反作用トルクを及ぼさずに自発回転ゴマの回転速度が増加するという、不思議で興味深い現象を実験・研究することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する回転軸と、
前記回転軸が中心部を垂直に貫通するようにこの回転軸と同心状に固定された導電性を有する横断面円形の回転子と、
前記回転軸及び回転子と一体に回転し、回転子を軸方向に貫通する磁束を発生する永久磁石とを備えたことを特徴とする自発回転ゴマ。
【請求項２】
永久磁石が導電性を有し、回転子を兼ねていることを特徴とする請求項１記載の自発回転ゴマ。
【請求項３】
導電性を有する回転軸と、前記回転軸が中心部を垂直に貫通するようにこの回転軸と同心状に固定された導電性を有する横断面円形の回転子と、前記回転軸及び回転子と一体に回転し、回転子を軸方向に貫通する磁束を発生する永久磁石とを備えた自発回転ゴマを回転させる方法であって、
直流電源の一方の極と接続した水平且つ導電性の支持面上で前記自発回転ゴマに初動回転を与えた後、その回転子外周に前記直流電源の他方の極と接続した導体の先端を接触させることにより、回転子の半径方向に電流を流して自発回転ゴマを加速させることを特徴とする自発回転ゴマの回転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電流の供給によって回転が持続される、科学教材あるいは科学教育玩具として好適に用いられる自発回転ゴマとその回転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、伝統的に製作されているコマは、手で回すものや、紐を巻き付けて回すもの等が一般的である。このようなコマは、高速で回転している場合には、その重心位置が回転軸の下端が接している支持面よりも上方にあるにもかかわらず、安定した状態で起立姿勢を維持しており、その現象自体が一見不思議に見え、玩具としてのみでなく、科学教材としても興味深いものとなっている。
【０００３】
さらに、コマの中には、例えば、特許文献１に記載されているように、電磁力を用いて、平滑な面の上で自発的に回転する不思議な現象を見せるものがある。
【０００４】
【特許文献１】
登録実用新案公報第３０１１３８３号公報
【０００５】
前記特許文献１に記載されている円板コマは、アルミニウム等の磁力吸引されない非鉄金属の円板をコマ中心軸に取り付けたもので、前記円板コマは、水平で平滑なコマ回し面の上で回転されるようになっている。
【０００６】
コマ回し面の下には、両端に磁極の異なる磁石が保持されて、モータによって水平面内で回転される回転アームが設けられていて、円板コマをコマ回し面上でアームの回転方向と同一方向に手で回転させると、円板コマは、磁石の回転運動による電磁誘導作用でアーム回転方向と同一方向に回転し続けるというものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述した特許文献１に記載されているコマは、一見、ひとりでに回転し続けるようで不思議に見えるが、これは、磁石の回転による磁界の変化で円板中に生じる渦電流の作用によるものであり、古くから、アラゴの円板として知られている電磁誘導現象を利用したもので、電磁誘導現象を身近に且つ直感的に理解できる科学教材あるいは科学教育玩具として興味深いものである。
【０００８】
一方、電磁誘導現象の中には、一般の物理学の教科書でもあまり紹介されていない、ファラデーの単極誘導という不思議な現象がある。これは、図４に示すように、機枠Ｆに回転自在に支持された、導体からなる回転軸Ｓ上に、軸方向に磁化された円板状または円筒状の永久磁石Ｍと、導体円板Ｄとを一体的に固定し、これらを回転軸Ｓ回りに強制的に回転させると、導体円板Ｄがこれを貫く磁束φに対して相対的に運動していないにもかかわらず、導体円板Ｄの中心部と周辺部との間に起電力が発生する。そして、回転軸Ｓと導体円板外周との間に回路Ｃを形成すると、この回路Ｃに直流電流Ｉが流れ、この装置は直流発電機として動作する。
【０００９】
反対に、回路Ｃを直流電源に接続して、導体円板Ｄの半径方向に電流を流すと導体円板Ｄにはトルクが生じて永久磁石Ｍとともに回転を始め、この装置は直流モータとして動作する。
【００１０】
この時、固定界磁と回転子を備えた通常のモータでは、回転子の回転が加速される場合に、回転子と固定界磁との間に作用する磁気的な吸引力または反発力を介して固定界磁は回転子の角運動量の時間変化に応じた反作用トルクを受けるが、前述した図４に示す装置において、回転軸Ｓ、導体円板Ｄ、及び、永久磁石Ｍから一体に形成された部分は、周囲に何ら反作用トルクを及ぼさないで回転が
加速されるという不思議な現象が観測される。
【００１１】
しかしながら、従来ではこのような現象を身近に実験できる科学教育教材や玩具は無く、単極誘導の不思議な現象は一般にはあまり知られていなかった。
【００１２】
そこで、本発明は、前述したような単極誘導のおける不思議な現象を簡単に実験することができ、科学教材あるいは科学教育玩具として好適に用いることができる、自発回転ゴマ及びその回転方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の自発回転ゴマは、導電性を有する回転軸と、前記回転軸が中心部を垂直に貫通するようにこの回転軸と同心状に固定された導電性を有する横断面円形の回転子と、前記回転軸及び回転子と一体に回転し、回転子を軸方向に貫通する磁束を発生する永久磁石とを備えたものである。本発明の自発回転ゴマにおいては、永久磁石が導電性を有し、回転子を兼ねた構造とすることができる。
【００１４】
また、本発明の自発回転ゴマの回転方法は、導電性を有する回転軸と、前記回転軸が中心部を垂直に貫通するようにこの回転軸と同心状に固定された導電性を有する横断面円形の回転子と、前記回転軸及び回転子と一体に回転し、回転子を軸方向に貫通する磁束を発生する永久磁石とを備えた自発回転ゴマを回転させる方法であって、直流電源の一方の極と接続した水平且つ導電性の支持面上で前記自発回転ゴマに初動回転を与えた後、その回転子外周に前記直流電源の他方の極と接続した導体の先端を接触させることにより、回転子の半径方向に電流を流して自発回転ゴマを加速させるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の自発回転ゴマは、回転軸が中心部を垂直に貫通するようにこの回転軸と同心状に固定された導電性の回転子を有している。回転子としては、横断面が円形の、例えば、銅製の円板が好ましい。
【００１６】
また、回転軸は、ステンレス鋼や真鍮等の導電性のある素材で製作することができる。また、本発明の自発回転ゴマは、回転軸や回転子と一体に回転する永久磁石を備えている。
【００１７】
この永久磁石は、回転子を軸方向に貫く磁束を発生するためのものであって、好ましくは、高い磁束密度と保持力を備えた回転子の外径と略等しい外径を有する円板ないし、扁平リング状のネオジム磁石を用いて、これらの磁石を一対、円板状の回転子の両面に固定して設けてあることが望ましい。
【００１８】
なお、磁石材料としては、他にフェライト磁石やサマリウムコバルト磁石等を用いてもよい。また、永久磁石は、その磁束が回転子を軸方向に貫通するように設けられていれはよく、回転子の両端面の何れか一方の側に設けられていてもよい。さらに、永久磁石が良好な導電性を有している場合には、永久磁石が回転子を兼ねたものとしてもよい。
【００１９】
本発明の自発回転ゴマは、導電性を有している水平で平坦な支持面上で回転させる。この支持面は、例えば良く磨かれた銅板の表面で構成することができ、この銅板を直流電源の一方の極にリード線で接続する。
【００２０】
直流電源には、家庭用交流電源を整流して５Ｖ〜１０Ｖで数アンペアの直流を出力可能な直流安定化電源を用いることができるが、アルカリ乾電池等の電流容量の大きい電池を複数個連結して用いたり、車載用の蓄電池を用いてもよい。
【００２１】
また、直流電源の他方の極には、先端に給電ブラシ部を有するリード線を接続する。なお、直流電源の２つの極は、一般的には、銅板側を負極（アース側）とし、給電ブラシ部側を正極とすることが好ましい。
【００２２】
一方、自発回転ゴマに設ける永久磁石は、直立させた自発回転ゴマを上から見て反時計回りに回転させる場合には、上面がＮ極になるように配置する。すなわち、永久磁石が発生する磁束のベクトルの向きが上向きになるようにする。
【００２３】
このような条件において、支持面上で自発回転ゴマに上から見て反時計回りの初動回転を与える。こうして、自発回転ゴマが低速で回転しているときに、給電ブラシ部の先端を回転子の外周面に軽く接触させると、給電ブラシ部から回転子に直流電流が流れる。
【００２４】
この際、永久磁石によって発生する回転子の軸方向上向きの磁束に対して、前記電流が回転子を中心部に向かって半径方向に横切ることで、回転子内の電流にローレンツ力が作用し、回転子内に自発回転ゴマの初動回転方向と同方向のトルクが生じ、自発回転ゴマはその回転速度を増加させる。
【００２５】
この時、給電ブラシ部や支持面には反動トルクが作用しないにもかかわらず、自発回転ゴマの回転速度のみ増加するという、角運動量保存の法則が破られているように見える興味深い現象を観察することができる。
【００２６】
【実施例】
次に、図面に基づいて、本発明の１実施例を説明する。図１は、本発明の自発回転ゴマの外観を示す斜視図、図２は、その構造を示す縦断面図である。
これらの図に示すように、本実施例においては、自発回転ゴマ１は、回転軸２、回転子３、永久磁石４、５、保持体６、７から構成されている。
【００２７】
また、本実施例においては、回転軸２の素材には、ステンレス鋼が用いられており、その下端部は支持面から受ける回転抵抗を減少するために半球状に仕上げられている。
【００２８】
また、回転子３は銅を素材として円板状に形成されていて、回転軸２がその中心部に形成されている軸孔３Ａに、回転子３に対して垂直に貫通している。
【００２９】
それぞれの保持体６、７は、中心部に形成されている軸孔６Ａ、７Ａを回転軸２が貫通して、回転子３の両側の面にそれぞれ当接するように配置され、止めねじ８、９によって回転軸２に固定されており、回転軸２に対して回転子３の軸方向移動が阻止されている。
【００３０】
また、保持体６、７は、リング状に形成されたそれぞれの永久磁石４、５の内側に配置されていて、これらの保持体６、７と回転子３との対向面間には、接着剤が塗布されて互いに接着されており、回転子３の回転軸２に対する回転が阻止されている。
【００３１】
永久磁石４、５はそれぞれ扁平なリング状のネオジム磁石が用いられており、これらの永久磁石４、５の外径は、回転子３の外径と略同一寸法になっている。
【００３２】
また、それぞれの永久磁石４、５は、自発回転ゴマ１が直立した姿勢でともに、上面側がＮ極、下面側がＳ極に着磁されていて、回転子３の上下両面に当接して配置され、これらが発生する磁束φが回転子３を軸方向上向きに貫くように設定されている。
【００３３】
これら二つの永久磁石４、５は、回転子３を挟んで磁気吸引力が作用し、この磁気吸引力により、回転子３と一体に保持されているが、これらの永久磁石４、５と回転子３との間は、接着剤によって接着し、相互の位置が振動等によってずれないようにしてある。
【００３４】
次に図３は、前述したように構成されている自発回転ゴマ１を回転させる方法の概略説明図であって、自発回転ゴマ１を回転させる支持面を提供するものとして、ここでは、銅板１０が用いられている。
【００３５】
銅板１０は、リード線１１によって、５Ｖ〜１０Ｖの範囲で出力電圧が可変で且つ、１０Ａ程度の電流容量を有する、直流安定化電源１２の負極側に接続されている。
【００３６】
一方、前記直流安定化電源１２の正極側には、リード線１３が一端が接続され、このリード線１３は、樹脂製の絶縁パイプ１４内を貫通しており、絶縁パイプ１３の先端から突出した部分には、柔軟に弾性変形可能な給電ブラシ部１５が形成されている。
【００３７】
この給電ブラシ部１５は、多数の細線で構成されているリード線１３の先端を解して刷毛状にして形成してもよいが、薄く弾力性のある板バネ状のリン青銅板等を用いて構成してもよい。
【００３８】
自発回転ゴマ１は、最初、銅板１０上で、手指で回転軸２の上端を持って上方から見て反時計回りの初動回転を与える。こうして、自発回転ゴマ１が低速で回転している状態で、直流安定化電源１２の電源スイッチを入れ、絶縁パイプ１４を手に持って給電ブラシ部１５の先端を回転している自発回転ゴマ１の回転子３の外周に軽く接触させる。
【００３９】
そうすると、給電ブラシ部１５から回転子３に電流が流れる。この電流は銅板１０上に下端がアースされている回転軸２側に向かって回転子３を半径方向に流れ、この際、回転子３を上向きに貫通する永久磁石４、５が発生する磁束の中を横切るため、回転子３には自発回転ゴマ１の回転速度を増加する向きのトルクが発生する。
【００４０】
したがって、自発回転ゴマ１は、回転子３の外周に給電ブラシ部１５が触れるたびに回転が加速される。通常、モータの回転子等の回転速度を加速する場合には、その回転速度の時間変化割合に比例した大きさの反動トルクがモータの外枠側に固定されている固定子作用する。
【００４１】
しかしながら、この自発回転ゴマ１は、これに接触している銅板１０や給電ブラシ部１５に反動トルクを作用させないので、外部から何らトルクを与えられることなく角運動量を増加するという、物理学の常識では考えられないような不思議な現象を観察することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載された発明によれば、周囲の物体に何ら反動トルクを生じることなく、回転速度が変化するという不思議で興味深い挙動を示す自発回転ゴマを提供することができ、科学教材あるいは科学教育玩具として好適に利用することができる。
【００４３】
請求項２に記載された発明によれば、請求項１記載の効果に加え、構造をより簡略化することができるので、製造コストを低減することができる。
【００４４】
請求項３に記載された発明によれば、直流電流を通じるだけで自発回転ゴマの回転速度が増加する不思議な現象を簡単に実験・研究することができる、自発回転ゴマの回転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の自発回転ゴマの外観を示す斜視図である。
【図２】本発明の自発回転ゴマの縦断面図である。
【図３】本発明の自発回転ゴマの回転方法を説明する概略図である。
【図４】単極誘導の原理を示す概略図である。
【符号の説明】
１          自発回転ゴマ
２          回転軸
３          回転子
３Ａ        軸孔
４、５      永久磁石
６、７      保持体
６Ａ、７Ａ  軸孔
８、９      止めねじ
１０        銅板
１１        リード線
１２        直流安定化電源
１３        リード線
１４        絶縁パイプ
１５        給電ブラシ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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