アラゴの円板(Arago’s Spinning Disc)、積算電力量計(Integrating Wattmeter)
「1824年フランスのドミニク・フランソワ・ジャン・アラゴにより、”磁石を銅製の円板に接近させ、磁石を回転すると銅円板も回転する”という現象が発見された。この現象を“アラゴの円板”と呼び、銅円板に発生した渦電流により円板が回転するもので、のちにフーコーによって解明された。銅円板には“電磁誘導の法則”および“レンツの法則”にしたがって発生した渦電流が流れ、“フレミングの左手の法則”にしたがって力が加わり、回転することがわかった。なお、家庭にある”積算電力量計”はアラゴの円板を利用したものである。」
【電磁誘導の法則】
電流の誘導は、閉じた回路内の磁界が時間的に変化することによって発生した起電力によるものであり、且つ、一つの回路に生じる誘導起電力は、その回路を貫く磁束数が時間的に変化する割合に等しい。(1831年ファラデー)
【レンツの法則】
電磁誘導によって生ずる起電力は、磁束の変化を妨げる電流を生ずるような向きに発生する。(1834年レンツ)
【フレミング左手の法則】
右図のように、磁界、電流、発生する力の方向を表し、モータの原理を簡潔に説明できる法則である。(1885年フレミング)
【アラゴの円板が回転する原理】
下図に原理図を示した。磁石による磁界の方向をこの紙面の上(表面)から下(裏面)とすると、磁石を反時計回りに動かすと、磁界Hの左側では磁界が弱まるので、レンツの法則により渦電流I1は図のように磁石と同じ向きに磁界が発生する(磁界を強める)向きに流れる。一方、磁界Hの右側では磁石と逆向きの磁界が発生する(磁界を弱める)向きにI2が流れる。磁界Hの左右近傍では同じ向きに電流が流れ、Hと遠い場所では電流が打ち消しあう。したがって、磁界Hで発生する電流Iは、ベクトル量で、I=I1+I2 となり、フレミング左手の法則による力Fは、同じくベクトル量で、F∞IxH となる。この力によって、銅円板は磁石が動く方向と同じ方向に“スリップ”と呼ばれる時間の遅れを伴いながら回転をする。
【積算電力量計】
家庭に必ずある積算電力量計の構成を下図に示す。これは、アラゴの円板の原理を応用したものであるが、実は永久磁石の役割は“渦電流を発生させ、アルミ円板を回転させるためではなく、円板の回転にブレーキをかける“ことである。渦電流を発生させて、電力の通過にしたがって円板を回転させているのは、交流を流しているコイルである。電流の位相をずらしてコイルで回転磁界を作り、円板を回している。
回転している物体は、慣性の法則に従い、たとえ摩擦があってもすぐに止まらないため、電気器具を使い終わった後もなお積算電力量計の円板が回転を続けているのでは困る。そこで永久磁石がブレーキ役となって、ピタリと止める仕組みになっている。したがって、永久磁石が作る磁界は、アルミ板の回転を妨げる方向になる。
一般的に、積算電力量計は屋外に設置してあるので温度変化が大きく、磁石の磁気特性の温度変化により制動力がばらつくと困る。したがって、現在でも永久磁石は温度特性が優れている“アルニコ磁石”を使用している。
