授業中に全員成功！クリップモーター作りのコツ（プラスチックダンボールを使った実践）
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
みなさんは「クリップモーター」という言葉を聞いたことがありますか？乾電池とエナメル線、そしてクリップを使って作る、とってもシンプルなモーターのことです。理科の実験や自由研究で一度は目にしたことがあるかもしれませんね。電流を流すことでコイルがくるくると回り出す様子は、まさに「科学の魔法」！しかし、このクリップモーター、実は「作るのは簡単そうに見えて、なかなか成功しない」という、ちょっとした落とし穴があるんです。
一般的な作り方だと、「せっかく頑張って作ったのに、うんともすんとも言わない…」なんて経験をした人もいるのではないでしょうか？特に、コイルの巻き方にはちょっとしたコツが必要で、多くの人がここでつまずいてしまいます。一体なぜでしょう？それは、コイルがきれいな円形にならなかったり、両サイドの軸が一直線にならなかったりすると、磁石との相互作用がうまく働かず、回転してくれないからなんです。
今回は、そんなクリップモーター作りの「あるある」な悩みを一気に解決する、とっておきの方法をご紹介します。なんと、身近な材料である「プラスチックダンボール」を使うだけで、誰でも簡単に、そして確実にクリップモーターを回すことができるようになるんです！この目からウロコの方法は、ナリカサイエンスアカデミー講師の小森栄治先生に教えていただきました。さあ、科学の不思議を自分の手で体験する準備はできましたか？
クリップモーターの仕組みを理解しよう！
クリップモーターは、電気エネルギーを運動エネルギーに変換する、まさに電磁誘導の原理を応用したものです。
- 電流と磁場の発生: 乾電池から流れる電流がエナメル線で作られたコイルを通過すると、コイルの周りに磁場が発生します。
- 磁石との相互作用: 発生したコイルの磁場と、近くに置かれた磁石の磁場が互いに力を及ぼし合います。この力がコイルを回転させる原動力となるのです。
- フレミングの左手の法則: このとき、電流の向き、磁場の向き、そして力の向きには一定の関係があり、これは 「フレミングの左手の法則」 として知られています。コイルに流れる電流と磁石の磁場によって生じる力が、コイルを押し動かすことで回転運動が生まれます。
成功の鍵はコイルの巻き方！なぜ一般的な方法では難しいのか？
これまで、クリップモーターのコイルは、乾電池などに直接エナメル線を巻き付けて作ることが多かったと思います。しかし、この方法だと、半数以上が成功できません。大人でも結構難しいと感じる人が多いのも事実です。その主な理由は以下の2点です。
- 両サイドの軸が一直線にならない: コイルの両端から伸びる軸がまっすぐでないと、回転がスムーズに行われません。少しでも曲がっていると、バランスが崩れてうまく回らないのです。
- 均等な円形のコイルが作りにくい: 均一な磁場を作るためには、コイルがきれいな円形に巻かれている必要があります。手作業で均等な円形を作るのは、意外と難しいものです。
「プラスチックダンボール」が救世主！
そこで登場するのが 「プラスチックダンボール」 です！プラスチックダンボールを補助具として使うことで、これらの問題を一気に解決できます。
プラスチックダンボールを使うメリットはたくさんあります。
- コイルの形が整いやすい！: ガイドがあるので、誰でもきれいな円形のコイルを簡単に作れます。
- 長さが短くなるので経済的！: 無駄なくエナメル線を使えるため、材料費を抑えられます。
- 軸の調整がしやすくなる！: プラスチックダンボールの厚みを利用することで、両サイドの軸が一直線になりやすくなります。
今回使用するエナメル線は約45cm、太さは直径0.5mmのものを選びました。この太さがあれば、しっかりとしたモーターを作ることができますよ。
さあ、実際に作ってみよう！
エナメル線は約45cm使用し、太さは直径0.5mmのものを選びました。この太さがあると、しっかりしたモーターが作れます。エナメル線は、だいたい４５ｃｍくらいの長さ使います。太さは直径φは0.5mmのものを使用しました。この太さだとしっかりしたモーターを作ることができます。
それではまず巻き方から見ていきましょう。プラスチックダンボールをこのように切り取ります。
ここからの作り方は動画にまとめました。
長さとしては2.5cm、縦は横から見て穴が３つあるようにしてカットします。この真中にまず導線を通して先を５ｃｍほど出しておきましょう。
あとは図に沿って通していきましょう。最後に少し引っ張りながら形を整えて、余分な導線をカットします。
導線についてはやすりをつかって片方はすべてはぎます。もう片方は上半分をはぎます。根本までしっかりとはぎましょう。
図は、グレーの部分がはいだ部分です。クリップは次のようにまげて、
こんな形にして乾電池にとりつけてください。
磁石を乾電池にはりつけたら出来上がりです。このようにして載せてみましょう。
少し勢いをつけると、くるくると回り始めます。
いかがでしたか？ぜひ自宅でも作ってみてくださいね。
エナメル線を全部剥ぐと何が起こるのか？
この説明を読む前に、一度ペーパークラフトで、モーターモデルを作ってみることをお勧めします。こちらの記事をご覧ください。
なぜモーターは回り続ける？ ペーパークラフトとデジタルで解き明かす「フレミングの法則」と「整流子の秘密」（Geogebra）
次の説明は、立体的なので、もしわからなければぜひ上のペーパークラフト作りから始めてみてくださいね。それでは説明します。
① コイルの傾きと磁界の向きがちょうど同じとき（０°のとき）、クリップモーターに流れる電流と磁石の作る磁界によって相互作用が起こり、力が働きます。反時計回りにコイルが回転します。
※ プラダンクリップモーターはもう少し巻くのですが、この図はわかりやすいように１回しか巻いていません。
② ９０°まわると、両端に力がはたらきコイルを押し広げようとする力となり、回転の力にはなりません。
③ １８０°回ると、整流子がない場合には、電流の向きとの関係から、時計回りの力となり、モータは回転しません。
整流子を作るとどうなるか？
そこで、手前のエナメル線だけ、上部のメッキを剥がさないでおきます（次の図の黄色）
①’ ０°のときクリップについている下の部分を通して電流が流れます。
②’ ９０°になっても、下部がクリップに支えられているため電流が流れます。
③’ １８０°まわると、メッキ部分が下部になり、電流が流れなくなります。そのため、コイルは反時計周りの回転が続き、①’へと戻ります。
以上です。いかがでしたでしょうか。クリップモーターは、電流と磁石の力を使ったシンプルなモーターですが、成功させるにはコイルの巻き方が重要です。プラスチックダンボールを活用すれば、形を整えやすく、より成功率が上がります。理科の知識を活かしてものづくりを楽しんでみましょう！
次はファラデーモーターの手作りはいかがでしょうか。乾電池・アルミ箔・画鋲でモーターを作ることができます。
なおフレミング左手の法則については、こちらの記事も併せてご覧ください。
また整流子が丸見えのこちらのモーターキットもお勧めです。
実際にはコイルの形だけプリントにつけておき、生徒に導線部分と電流の流れの関係を書かせていくと良いのかなと思っています。不格好ですが素材を提供します。もしよければお使いください。
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