電磁石２

質問

以前にも電磁石のことで質問させていただいた、tarou520です。

前回いただいた、回答を念頭に私なりに電磁石の実験を行ってみました。
実験内容は、Φ１０mm、長さ６０mmの軟鉄に５０回巻、１００、１５０、２００回巻きの４つの電磁石をつくり、
それぞれの電磁石に０.５～２.５（Ａ）の電流を流しその時の磁束密度をガウスメーターで測るというものです。

結果は、以前に教えていただいたように磁界の強さ（磁束密度）は電流と巻き数に比例するというものでした。

　しかし、電流を２.５Ａにした時に各電磁石で大きな誤差が生じました（電磁束密度ー電流のグラフで、これまで直線だったのが２.５Ａのところで傾きがかわった。）

私はこの原因として、電磁石の熱がガウスメーターのホール素子に影響を与えたからではないかと考えました。

この誤差について皆様のご意見お聞かせください。

回答No.3

sailor · ベストアンサー

リップルとはサザナミの意味で、商用電源などを利用して整流した電流は脈流（電源周波数と同期して０V～利用する電源電圧まで変化する電流）となります。このままでは直流電源として利用するには不都合なので、コンデンサーやコイルを利用した平滑回路でより直流に近づけるようにしています。ただし、平滑回路はその動作原理上、電流が大きくなるほど完全な直流から離れて電源に含まれる脈流の成分が出力に大きく現れてくる性質があります。完全な直流を波一つない水面に例えて、サザナミがたっている状態と言うことです。

スパイクとはスイッチング式の電源装置を用いたときに特に問題になる部分です。スイッチング式の電源装置ではコイルに対してオン・オフを早い速度で行って、コイルのインダクタンスを利用して必要な電圧を得る装置ですが、コイルに対して電流の断続を行うと、その瞬間に非常に高い電圧が発生します。この瞬間的な電圧変動（シンクロスコープ等でみると棘のように見える）をスパイクと言います。

いずれの場合もアナログ式のメーターや通常のデジタルメーターではその発生を確認できません。これらの発生が問題になるかどうかを確認するにはシンクロスコープなどの波形を確認するための道具が必要です。

私が言いたかったのはガウスメーターがサンプリングした瞬間とこれらの発生するタイミングかぶってしまうと、正確な測定値は得られないと言うことです。

そこでできればバッテリーなどの完全な直流を電源として用い定電流電源装置を介しての測定をお勧めします。

お礼

回答ありがとうございます。
とても勉強になりました。

回答No.4

miDumo

皆さん難しい回答で解決のヒントを与えてくださっていますが、そんな研究室レベルの話題であるリップル現象などよりも気になることがあります。

＞電磁石の熱がガウスメーターのホール素子に影響を
＞与えたからではないかと考え・・・

と言っておられる事から考えて発熱が感じられる程度まで電磁石自体が発熱しているんですよね？

そうならば原因はコイルに使っているエナメル線の直径です。0.2mm程度のエナメル線でしょうか？
2Aと言えば結構な電流ですので、コイルに使う線自体の抵抗が無視できないです。細ければ当然、線自体に流れる電流の許容電流は少ないので、一定電流を超えたところで頭打ちになって発熱しているのが原因じゃないでしょうか？

またコイルを巻けば当然リアクタンス（コイルを巻いたことによる抵抗）も増加します。

電流を大きくして、なおかつコイルにしている状態では抵抗が大きくなっているので発熱し、電力から磁力にリニア（グラフで見て直線的であること）に変換できず電気がロスしているわけです。

そんな理由で電流も頭打ちになるでしょうから、まずリップルを考えるより、エナメル線の直径を0.8mmなどの比較的太いモノに変えてみてはどうでしょう。

お礼

回答ありがとうございます。

エナメル線ですが、直径0.5ｍｍのものを使用しました。

コイル自体の抵抗も測ってみましたが、（通電してない状態）どのコイルもテスターではわからないほどの微小な抵抗でしたので特に注目していませんんでした。

しかし、大電流を流すとコイルの抵抗が変わってくるということですね。勉強になります。

回答No.2

sailor

電源装置の電流容量は十分でしょうか？電流容量が不十分であるとすると、リップルの影響などで電流計の示している値が必ずしも正しいとはいえません。もし、電源にバッテリーのような電源を使用しているとすればこの例にはあたりませんが、商用電源を直流化して使用している場合、電源装置の容量限度近くでは大きなスパイクが発生したりリップルが非常に大きくなったりする場合があります。通常の電流計ではこのような瞬間的な変動は検出できません。もしガウスメーターにデジタル式のものを使用しているのであれば、ガウスメーターがサンプリングする瞬間にこのようなスパイクやリップルによる電流変動があると正しい値の測定は無理とです。

実験装置の詳細がわからないのであくまで推測ですが、このようなことも起こりうると言う可能性で記述しました。

できるのであれば実験装置の詳細を追記してみればより、適切なアドバイスが得られるかもしれません。私は研究者ではなく、このような実験に関しては素人ですがエンジニアの観点で記載させていただきました。

補足

回答ありがとうございます。
電源はおっしゃる通り、商用電源を直流化して使いました。直流化装置にも電流計は付いておりましたが、イマイチ信用できなかったので、アナログ式の電流計を別途接続しました。
また、ガウスメーターですが、測定値がリアルタイムで表示されるものでしたが、大きく測定値が変動することはなかったと記憶しています。

装置のことはこの程度しかわかりません。

２つお聞きしたいのですが、「スパイク」「リップル」といったものはどういった現象ですか？
また、それらは測定値にどのような影響を与えるものなのですか？？

回答No.1

ymmasayan

どのコイルの場合も２．５Ａで傾きがおかしくなったと言うのは変ですね。
熱の影響だとすると磁石ごとに巻き数が違うので同じ２．５Ａでも発熱が
大きく違うはずです。
逆にいえば、傾きが変わる電流はコイルごとに違うはずです。

磁気飽和という現象があって、電流を増やしても磁束密度がだんだん
増えなくなるという現象に似ていますが全部のコイルで同じ電流で起こると
いうのはありえません。

お礼

回答ありがとうございます。

傾きが小さくなるだけならまだしも、大きくなるケースもありましたので、私も磁気飽和ではないと考えおりました。

他に思い当たる節があればご意見お願いします。