モーターの「見えない壁」を突破せよ！ 紙と左手で整流子の謎が解けるペーパークラフト
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
スマートフォンが「ブルッ」と震えるとき、その中で小さな部品が猛スピードで回っていることを知っていますか？ 家庭の洗濯機も、未来を走る電気自動車も同じです。私たちの暮らしは、今や「モーター」なしでは一日も成り立ちません。
しかし、この便利な機械の中身を覗いてみると、中学生がもっともつまずきやすい「見えない壁」が隠されています。今回は、その壁を軽々と飛び越え、理科室に感動を巻き起こす驚きのペーパークラフトをご紹介しましょう。
モーターの「？」を「！」に変える、魔法のようなペーパークラフト
理科室で「モーターの仕組み」を教えるとき、先生方はどこに一番苦労を感じますか？ おそらく、多くの先生が口をそろえて言うのが「整流子（せいりゅうし）」の仕組みではないでしょうか。
コイルが半回転するたびに、電流の向きをパッと反転させる、あの絶妙な切り替え。教科書や図解だけでは、どうしても平面的な説明になってしまい、生徒の頭の中では「？」マークが浮かんだまま…なんてことも少なくありません。
この「整流子の壁」を乗り越えようと、いろいろな図解を使って生徒と一緒に考えるのですが、なかなかうまく伝えられないのが現状です。
そこでお勧めしたいのが、理科教材をペーパークラフト で作るという試みを行っている岸正太郎先生のサイトに載っている、モーターの教材です。
型紙を切って、のりで組み立てよう
こちらがその型紙です。
太線に沿って切り開き、のりを使って組み立てていきます。すると、このようなものが完成します。
裏面はこのような感じになります。
真ん中のコイルの部分が、くるくると回るようになっています。
左手を当てて確かめよう：コイルはなぜ回るのか
では、実際に手を当てながら考えてみましょう。使うのは、おなじみのフレミングの左手の法則です。左手の中指を電流、人差し指を磁界の向きに合わせると、親指の向きが力の向きになります。
いま、コイルには a → b → c → d の向きに電流が流れています。まず ab の部分を考えると、フレミングの左手の法則から、上向きに力を受けることがわかります。
次に cd の部分で同じようにやってみると、今度は下向きに力を受けます。電流の向きが ab と反対なので、力の向きも反対になるのです。
この結果、片側が上へ、反対側が下へ引っぱられて、コイルが時計回りに回転します。
主役登場！ 整流子が電流の向きを入れ替える
ここからが、いよいよ整流子の出番です。コイルが半回転すると、整流子によって電流の向きが入れ替わります。
今度は d → c → b → a の向きに電流が流れるようになりました。同じように左手を使ってみると、また同じ時計回りに回転することがわかります。まず、dc の部分です。
続いて、ba の部分です。
では、もし整流子がなかったらどうなるのでしょうか。コイルが磁界に対して垂直になる位置を通り過ぎたあとも、電流の向きをそのままにしておくと、今度は逆向きに回そうとする力が働いてしまいます。するとコイルは行ったり来たりして、やがて止まってしまうのです。整流子は、「回る向きをそろえ続けるための、縁の下の力持ち」だったというわけです。
ちなみに、実際のモーターは、コイルをたくさん使ってなめらかに回るように工夫されています。また、電気自動車などでは、整流子の代わりに電子回路で電流の向きを切り替えるモーターも活躍しています。形は違っても、「電流の向きをうまく切り替えて、同じ向きに回し続ける」という考え方は同じです。
クリップモーターと合わせて、理解をグッと深めよう
このように、紙の上で手を当てながら考えられるのが、このペーパークラフトの一番の特徴です。クリップモーター作りと合わせて実践すれば、「見えない壁」だった整流子の仕組みが、生徒の中でスッとつながっていくと思います。
岸正太郎先生のホームページには他にもいろいろな教材が公開されています。ぜひいろいろ探してみて、試してみてください。岸先生素敵な教材ありがとうございます。
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