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磁石が持つ磁界の強さの定量的な測定方法（機械を用いない方法）
途上国で理科を教えている友人から、 以下のメールが来ました。 私は物理を学んだことはあったのですが、 答えられずに困っています。 どうか、みなさんのお力をお貸し下さい。 以下、友人からのメールです。 「磁石の周りの磁界の強さを定量的に測りたいのですが、 機械を使わず測定できる方法は知りませんか？ 日本では磁界の強さを測るセンサが売っていると聞いたのですが、 途上国ではそのような機械はなくて。 もしよろしければ、手作りで作れる実験器具などを用いて、 数値として計測できる方法を ご存じでしたら教えて下さい。」
- pencil1001
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- 物理学
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磁界の強さを測るセンサというのはガウスメーターみたいなものですよね。測定子は数百円で売っているものですしガウスメーター自体を自作してしまうことも可能なわけで...「手作りで作れる実験器具」というのにどこまで含んでいいのかが分からないのですし、どれくらいの年齢が対象の理科なのかにもよりますので、素人考えでの測定方法を。 ・クリップや砂鉄をどのくらいの量持ち上げることができるかで測定 そんなの小学生レベルじゃん！とか言いたくなるかもしれませんね。しかし砂鉄の量をきちんと計量すれば数値化はできますし、そうすれば相対的な強さは求めることができるかと思います。 また紙の下に磁石、紙の上に砂鉄を置いて、紙をトントンたたき磁力線を目で見える状態にしてその大きさを記録するような使い方ができるかもしれません。 ほかにもパイプの中に鉄球を入れてパイプの外に置いた磁石でそれを固定します。そしてパイプを傾けて何度のところで鉄球が転がってしまうかとかでもいいかもしれません。 これらの場合は相当な測定誤差が出ると思いますが ・電磁石を使う方法 磁石と電気を通している電磁石をくっつけます。そして電磁石が下になるように磁石を持ち上げてから少しずつ電磁石にかける電圧を下げます。そして電磁石が落ちたときの電圧を測定。 この方法の難点は電磁石に電気を通さなくても磁石にくっついてしまい、そのままで落ちないことがある点。 磁石を吊るし型のばねばかりに固定して、その下に置いた電磁石でひっぱって、"○○gの力にするには何ボルト必要"のように測るのもいいかもしれません。 ・電磁誘導を使う方法 ＃２さんの方法です。電流が流れるのは一瞬ですのでメーターはアナログ式の方がいいです。また磁石を動かす速さによって電圧が変わりますので一定の高さから落とすようにするといいと思います。
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- LCR707
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精度はともかくとして、なるべく簡単な材料で測ることを考えてみました。 方位磁石の側面に穴を開けておく。 方位磁石を静磁界の中に置くと、方位磁針は磁力線の方向を向く。 穴から棒を入れて、針を少しずらせる。 棒を取り除くと、針は磁力線に沿った向きに戻ろうとして、ふらふらと減衰振動する。 この振動の周期を測定すれば、磁界の強さがわかる。 基本的に振り子の振動と同様ですから、式も同じ形になると思います。 式中の重力加速度ｇの代わりに、磁界強度Ｈを用います。
お礼
感心するアイディアですね。 確かに大小の比較には用いることができそうですね。 しかも簡単な材料で。 ありがとうございます。
- moto21
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状況が許せばホール素子が簡単です。 電池＋ホール素子＋マルチメータでできます。ホール素子は秋葉原で数百円で買えると思います。また小さいので手紙に貼り付けて送れます。現地に売っていない時はVTRやフロッピーのブラシレスモータはホール素子が入っているので廃棄品と腕があれば可能かも・・・。マルチメータは現地の電気の保守関係の人とか持っていないかな（３０００円程度の物で可）・・テスターでは微妙かも 配線はホール素子の４端子の内２本を電池（できれば抵抗を入れて）２本をマルチになので簡単です。 電気関係が使えない状況では、鉄片の吸着力をバネの伸びで測るのはどうでしょうか。そのままでは安定しないので鉄片を木などの棒に付け途中に支点を設けて 反対が側にバネを付けて同じ位置になるまでのバネの伸びを測る方法です。 ホール素子はある業界にいたので自信はありますがバネのは想像です。 以上何かのヒントになれば・・
お礼
ありがとうございます。 ホール素子を使うのですか。 なるほど。 ただ私にとっては組み立てが難しそうです。 もちろん友人にはどうかわかりませんが。 相談しながら伝えてみます。
- foobar
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磁石の大きさがどの程度か、測定する空間の大きさはどの程度か、にもよるのですが、アイデアを2つほど。 用意するもの 方位磁石、空芯のコイル。 方法その1 ・磁界の強さを測りたいところに方位磁石を置いて、磁力の向きを見る。 ・磁石の磁力線に直角の向きに空芯コイルを置く ・コイルに電流を流すと合成された磁力線の向きが変わり方位磁石の角度が変わる ・コイルに流した電流値と、方位磁石の角度変化から元の磁石による磁界強度を算出する 方法その2 ・磁界の強さを測りたいところに方位磁石を置いて、磁力の向きを見る。 ・同じ方向に、磁界を弱める向きにコイルを置く ・コイルに流す電流を強くしていくと、コイルによる磁界=磁石の磁界 を通過したときに方位磁石は反転する ・このときにコイルに流した電流から、磁石の磁界強度を求める #2さんの探りコイルを使う方法 できれば検流計には「衝撃検流計」（針がゆっくり振れるアナログ式の検流計で、最大の振れが、電流＊時間に比例するようなもの）を使ったほうがよいかと思います。 あるいは、コイルに一工夫して、一定回転数で回るようにして、コイル両端電圧を交流の（高感度）電圧計で測定するか。 ホールセンサを購入,使用するのが一番楽なような気もしますが、、。
昔、確か中学のとき夏休みに電力会社に見学に行ったときに見た実験で、うろ覚えなのですが… 検流計と「さぐりコイル」を用いて電磁誘導によって流れる電流を測定する方法です。 検流計に小型のコイルを接続して、量ろうとする磁束をコイル面に直角の方向に通しておき、コイルを磁界から急に出す、またはコイルの方向を直角に変えるなどすると検流計に電流が流れます。検流計の目盛りを読み取り、 磁束[Wb] ＝ Φ 検流計に流れる電気量 ＝ Ｑ 巻き数 ＝ Ｎ とすると Φ ＝ Ｑ ・Ｒ ／ Ｎ の計算が成り立つ（はず）です。 （計算のところはあまり自信がありません。専門家の方のご意見を頂戴できればありがたいです。検流計がなくて一般的なテスターならどうなのか？もよくはわかりません。素人の考えですみません） 参考URLのFigure 2.9が考えている実験器具に近いです。
お礼
式の考え方と参考URLを教えて頂きありがとうございます。 検流計を用いる方法は考えおりましたが、 自信がありませんでしたので、 ご回答に非常に感謝しております。
- goobest_2004
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あまり詳しく知らないところもあるのですが、思いつく方法書きます。 力を測定する方式がいいと思います。 フレミングの左手の法則で、磁界の直交する電線は力を受けますよね。F=BIL（Lは長さ） その力（そんなに大きくない）を、天秤などを使って測ってみてはどうでしょう？電流と電線の長さを一定にして、力を測定すれば、磁束密度Ｂが出ます。 これならば、フレミングの法則というシンプルな法則の応用にもなると思います。
お礼
ありがとうございます。 私も実際に挑戦したことのない方法ですので、 再度調べた後、友人に伝えてみます。
お礼
ありがとうございます。 検流計を使う方法で、 一定の高さから落とすとい方法もあるんですね。 なるほど。 それ以外の方法も非常に参考になりました。