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モータ、発電機の仕組みから高電圧で送電する理由について

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最近、大学生、高校生の読者が増えてきました。
元落ちこぼれ薬学生としては、貴重な学生時代を私のように過ごしてほしくないという想いから、少しでもお役に立てればと、これまで学習で躓いたポイントをブログに書いてきました。

今回は、モータ、発電機の原理、高電圧で送電する理由について考えてみます。

今回の内容
モータの原理
発電機の原理
整流子とブラシの役割
高電圧で送電する理由
単位が合うか確認してみる(ジュールの法則)

モータの原理

 

出典:explainthatstuff.com

磁石があるということは、すでに磁界が存在していますね。ここに電気が流れると、電流による新たな磁界が生じることで、もともとあった磁界と相互作用するため、電磁力が発生します。この時、力が発生する方向はフレミングの左手の法則に従います。

順を追って考えてみるとわかりやすかったです。

①磁界が存在している
②電流が発生する
③力が発生する

次にモータが回転する方向ですが、分かりにくい場合は、
コイルを2つに分けて図解することでスッキリ理解できます。

緑:力、 オレンジ:磁界、 ピンク:電流

コイルの左側をa、右側をbとして、別々に考えたのが上の図です。

出典:コトバンク
磁界、電流の方向は決まっているので、左手を動かして力がどちらに向くか確認すればOKです。

a側では上向きの力、b側では下向きの力が発生するため、以下のように、コイルは右向きに回転することがわかりますね。


これがモータが回転する原理です。

発電機の原理

モータの原理がわかれば、あとは順番を変えて考えることで、発電機の原理もわかりやすくなります。
発電の原理では、フレミング右手の法則を使います。


出典:コトバンク

発電機の場合は、次の順番で考えてみましょう。

①磁界が存在している
②力を加える
③電流が発生する

モータと同様に、コイルを左回転させた場合に流れる電気の方向を理解しやすくするため、
コイルをaとbに分けて、それぞれの電流の方向を確認してみます。
この時、左のaの場合は、右手がかなりねじれます。つらいですが頑張ってみてください。電流(中指)が自分の方に向きます。

緑:力、 オレンジ:磁界、 ピンク:電流

今度はコイルを右回転してみた場合です。


今度はbで、右手がかなりねじれます。

お気づきでしょうか。
コイルを右回転した写真を見ると、モータと発電機の場合とで、電流の向きだけが逆になっていますね。

整流子とブラシの役割

モータのイラストを再び見ると、コイルの入り口に丸いもの(赤色部分)がついていますね。

出典:explainthatstuff.com

これは整流子といいます。図では省略されていますが、実際のモータには横にブラシがあり、整流子とブラシが接したり、離れたりすることで、電流が生じたり、電流が生じない瞬間が交互に作り出されています。
これはなぜでしょうか?

整流子とブラシがない場合を実際に書いてみる方がわかりやすかったので、こちらをご覧ください。
わかりやすいように、コイルの右を水色左側を黄色にしてあります。
回転した後の下の図では、電流の向きが逆になっているのがわかりますか(ピンク色)。
それぞれの場合で力の向きをフレミング左手の法則に従って確認すると、上の図では右回転、下の図では左回転となり、
モータは同じ方向に回転を続けられなくなりますね。つまり、モータが同じ方向に回転を続けられるようにするために整流子とブラシがついています

緑:力、 オレンジ:磁界、 ピンク:電流


最近のモータでは、ブラシレスモータが主流のようですね。

高電圧で送電する理由

身近なテーマとして送電についてついでにみておきます。
下の図からわかるように、発電所では超高電圧にして送り出されていますね。
これはどうしてでしょうか?


出典:中部電力

これは、送電には抵抗による損失が伴うためです。
この損失(熱量Q)は、電流の2乗×抵抗×時間(秒)というジュールの法則によって算出されます。
ということは、電流を小さくすれば、損失(熱量Q)は小さくなりますよね。
ここで、電力=電流I×電圧Vより、電力は電流と電圧をかけたものですので、
電流を小さくするためには、電圧を高くすればよいことがわかります。
これが高電圧で送電する理由となります。

単位が合うか確認してみる(ジュールの法則)

ジュールの法則がでてきたので、左右で単位が合うか確認してみました。
物理では単位がとても大事なんですよね。苦手意識が薄れるのでやってみるのをお勧めします。

Wikipediaで一つ一つ単位を追っていくと、苦手意識を払拭できると思います。

 

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