モーター作製実験の考察｜コイルが回る原理・フレミング左手則と回らない原因

モーター作製実験は、エナメル線で作ったコイル、永久磁石、乾電池などを用いて簡易的な直流モーターを作り、電流と磁界の相互作用によって回転運動が生じることを確認する物理・電気分野の学生実験です。

コイルに電流を流し、永久磁石が作る磁界の中に置くと、コイルの一部に電磁力が働きます。その力によって回転方向の力、すなわちトルクが生じます。さらに、コイル端のエナメル被膜を適切に加工して電流が流れる区間を制御すると、コイルを同じ方向へ回転させ続ける簡易モーターとして動作させることができます。

この記事では、大学・高等学校などの学生実験で簡易モーターを作製することを想定し、モーターの基本原理、電流と磁界の関係、コイルの作り方、簡易整流の仕組み、回転方向、巻数・電流・磁石の強さによる違い、結果のまとめ方、うまく回らない原因、改善点、考察の書き方などを整理します。

注意：
この記事は、大学・高等学校などの物理・電気実験で得られた結果を考察するための参考資料です。実際の電源電圧、エナメル線、永久磁石、支持具、工具などは、必ず所属学校の実験書、担当教員、TAなどの指示に従ってください。低電圧の電池を使用する場合でも、導線を電池へ直接長時間接続すると大きな電流が流れて導線や電池が発熱することがあります。回転しない状態で長時間通電しないようにしてください。

モーターとは何か

モーターは、電気エネルギーを回転などの機械的な運動へ変換する装置です。

直流モーターでは、磁界中に置かれた導線へ電流を流すと力が働く現象を利用して回転を生じさせます。

実際のモーターには、コイル、永久磁石または電磁石、回転軸、整流子、ブラシなどが使われます。

モーター作製実験で見るべき結果

結果に書く主な項目

• 使用した電源電圧
• 使用したエナメル線の太さ
• コイルの直径
• コイルの巻数
• 使用した永久磁石の数や配置
• コイル端の被膜処理方法
• コイルが回転したか
• 回転方向
• 回転の安定性
• 回転開始に手助けが必要だったか
• 電圧や巻数を変えたときの変化
• 磁石の向きを変えたときの回転方向
• 電池の極性を逆にしたときの変化

条件を比較する場合は、一度に複数の条件を変更せず、例えば磁石配置を一定にして巻数だけを変えるなど、比較条件をできるだけそろえます。

磁界中の電流に働く力

磁界の中に置かれた導線へ電流を流すと、導線には磁界と電流の方向に応じた力が働きます。

導線の長さをL、電流をI、磁束密度をB、電流と磁界のなす角をθとすると、導線に働く力の大きさは理想化すると、

F = BIL sinθ

で表されます。

電流と磁界が直角に近いほど力は大きくなり、平行に近い場合は力が小さくなります。

フレミングの左手の法則

磁界の向き、電流の向き、導線に働く力の向きの関係は、フレミングの左手の法則を用いて整理できます。

一般に、人差し指を磁界、中指を電流、親指を力の向きに対応させます。

コイルの左右では電流の向きが逆になるため、それぞれに逆向きの力が働き、回転方向の力を作ります。

コイルが回転する理由

永久磁石の磁界中にコイルを置き、コイルへ電流を流すと、コイルの両側に反対向きの力が働きます。

この2つの力によってコイルを回転させるトルクが生じます。

コイルが回転軸の周囲を自由に動けるようにしておけば、このトルクによってコイルが回転します。

トルクとは何か

物体を回転させようとする作用をトルクと呼びます。

単純化したコイルでは、磁界が強いほど、電流が大きいほど、巻数が多いほど大きなトルクを得やすくなります。

一方、巻数を増やすとコイル自体が重くなり、導線も長くなって抵抗が増えるため、単純に巻数を増やせば必ず回転しやすくなるわけではありません。

簡易モーターの基本構成

部品	役割
エナメル線のコイル	電流を流して電磁力を受ける
永久磁石	コイル周辺に磁界を作る
乾電池などの低電圧電源	コイルへ電流を供給する
クリップなどの支持具	回転軸を支え、電流を供給する
コイル端の接点	回転位置に応じて通電状態を変える

参考材料

• エナメル線
• 乾電池または学校で指定された直流電源
• 永久磁石
• 大型クリップや導電性の支持具
• 紙やすりなど被膜を除去できるもの
• テープ
• 必要に応じて電流計・電圧計

強力な永久磁石を使用する場合は、磁石同士や鉄製品との間に指を挟まないよう注意します。また、磁石を電子機器や磁気カードなどへ不用意に近づけないようにします。

コイルの作り方

エナメル線を円筒状の物体などへ複数回巻き、円形または楕円形のコイルを作ります。

コイルの両側には回転軸として使う直線部分を残します。

回転中にコイル形状が崩れないよう、余った線で巻き束を数か所固定する方法があります。

回転軸をまっすぐにする理由

コイルの左右に残す軸が一直線になっていないと、回転時にコイルが上下へ振れます。

その結果、支持具との摩擦が増えたり、磁石や電池へ接触したりして回転しにくくなります。

左右の軸ができるだけ同一直線上になるように調整します。

コイルの重心を合わせる

コイルの重心が回転軸から大きくずれていると、特定の向きで停止しやすくなります。

また、回転時の振動も大きくなります。

コイルの形を左右対称にし、回転軸ができるだけ中心付近を通るようにすると安定しやすくなります。

エナメル線の被膜とは何か

エナメル線は、銅線などの表面を薄い絶縁被膜で覆った導線です。

そのまま支持具へ接触させても、被膜が残っている部分では電流が流れません。

そのため、電気的な接点として使用する部分は、必要な範囲の被膜を除去します。

両端の被膜を全部剥がすとどうなるか

コイル軸の両端を全周にわたって剥がすと、支持具と接触している間は常にコイルへ電流が流れます。

この状態でも条件によってはコイルが一定位置まで回転しますが、回転角度によっては磁気トルクの向きが変わり、同じ方向へ連続回転しにくくなることがあります。

被膜を半分だけ剥がす理由

簡易モーターでは、コイル端の一方または両方について、円周の半分程度だけエナメル被膜を除去する方法があります。

これにより、コイルがある向きにあるときだけ電流が流れ、反対側の回転区間では電流が遮断されます。

この断続的な通電によって、コイルを逆向きに戻そうとするトルクが働く時間を減らし、慣性を利用して同じ方向へ回転し続けやすくします。

簡易整流とは何か

実際の直流モーターでは、整流子によってコイルの回転位置に合わせて電流方向を切り替えます。

学生実験の簡易モーターでは、エナメル線の被膜を半分だけ剥がして通電と非通電を切り替えることで、整流子に似た役割を簡易的に持たせます。

ただし、この方式では本格的なモーターのように電流方向を完全に反転させるわけではなく、通電区間を制御することで回転を維持します。

被膜を剥がす位置が重要な理由

被膜を半分だけ剥がしても、その位置がコイル面の向きと適切に対応していないと、回転を助ける位置で電流が流れない場合があります。

逆に、回転を妨げる位置で通電すると、コイルが途中で止まることがあります。

コイル面と剥離面の向きをそろえて作製することが重要です。

支持具の役割

クリップなどの支持具は、コイルを機械的に支える軸受けと、コイルへ電流を流す電気接点の2つの役割を持ちます。

そのため、接触が弱すぎると電流が流れず、強すぎると摩擦が増えて回転しにくくなります。

摩擦を小さくする

簡易モーターでは発生するトルクが小さいため、軸と支持具の摩擦が回転に大きく影響します。

軸が曲がっていたり、支持具が強く押し付けられていたりすると、磁気トルクより摩擦抵抗が大きくなり、回転できません。

永久磁石の配置

永久磁石は、コイルを通過する磁界が十分に得られる位置へ配置します。

磁石がコイルから離れすぎると磁界が弱くなり、回転トルクも小さくなります。

一方、磁石を近づけすぎてコイルへ接触すると、回転を妨げます。

磁石のN極・S極を逆にするとどうなるか

電流の向きを変えずに磁石だけを反転すると、コイルに働く力の向きが逆になります。

そのため、他の条件が同じならモーターの回転方向も逆になることが期待されます。

電池の極性を逆にするとどうなるか

磁石の向きを変えず、電池の正負を逆にするとコイルを流れる電流の向きが逆になります。

フレミングの左手の法則より、導線へ働く力の向きも逆になるため、回転方向も逆になることが期待されます。

磁石と電池を両方逆にした場合

磁界の向きと電流の向きを同時に逆にすると、力の向きは元と同じになります。

そのため、理想的には回転方向も元と同じになると考えられます。

モーター作製の参考手順

1．コイルを作る

エナメル線を複数回巻き、形を崩さないよう固定します。左右に同じ程度の長さの回転軸を残します。

2．回転軸を整える

左右の軸をできるだけ一直線にし、コイルの重心が軸付近になるよう調整します。

3．エナメル被膜を加工する

実験書で指定された方法に従い、接点となる軸部分の被膜を除去します。簡易整流を行う場合は、回転軸の片側半分だけを剥がすなど、通電区間を作ります。

4．支持具を取り付ける

コイルが自由に回転できる高さと間隔になるように支持具を固定します。

5．永久磁石を配置する

コイルと接触しない範囲で、磁界がコイルを通る位置へ磁石を置きます。

6．電源を接続する

低電圧電源を接続し、異常な発熱や短絡がないことを確認します。

7．コイルを軽く回して始動させる

簡易モーターでは静止位置によって始動トルクが小さい場合があるため、コイルを軽く回して始動させることがあります。

なぜ手で少し回す必要がある場合があるのか

コイルが停止している角度によっては、コイルへ働くトルクが非常に小さい場合があります。

また、簡易整流方式では停止位置によって接点が絶縁側にあり、そもそも電流が流れていないこともあります。

軽く回して通電する角度へ移動させることで、回転を開始できる場合があります。

参考実験条件

項目	参考例
電源	乾電池などの低電圧直流電源
コイル	エナメル線を複数回巻いたもの
磁界	永久磁石
支持部	導電性クリップなど
主な観察	回転の有無、方向、安定性
比較条件	巻数、磁石配置、電圧、極性など

参考観察結果

条件	観察結果の例	考察の方向
基本条件	軽く始動すると連続回転した	磁界中の電流によるトルク
磁石を遠ざけた	回転が不安定になった	磁束密度の低下
電池の極性を逆転	回転方向が逆になった	電流方向の反転
磁石を反転	回転方向が逆になった	磁界方向の反転
軸の摩擦が大きい	回転しなかった	摩擦トルクの増加

結果の書き方の例

エナメル線で作製したコイルを導電性の支持具に載せ、コイル下部に永久磁石を配置して低電圧電源を接続した。コイルを軽く回すと、その後は同一方向への回転を継続した。

電池の極性を逆にすると回転方向も逆になった。また、磁石のN極・S極を反転した場合にも回転方向が逆転した。このことから、回転方向はコイルを流れる電流の向きと磁界の向きの両方によって決まると考えられる。

コイル巻数を増やすとどうなるか

理想化すると、コイル巻数が増えるほど磁界中で力を受ける導線部分が増え、トルクも大きくなりやすくなります。

一方、巻数を増やすと導線が長くなり、電気抵抗が増えます。また、コイルが重くなって回転慣性や軸受けへの負荷も増加します。

そのため、実際の簡易モーターでは最適な巻数が存在する場合があります。

巻数が少なすぎる場合

巻数が少ないとコイル全体に働くトルクが小さく、支持部の摩擦を上回れない場合があります。

その結果、通電しても振動するだけで回転しないことがあります。

巻数が多すぎる場合

巻数が多すぎるとコイルが重くなり、回転軸の摩擦も増えやすくなります。

また、導線の抵抗が増えて電流が小さくなるため、巻数増加による効果が相殺される場合があります。

コイル直径を変える場合

コイル直径を大きくすると、磁界中で力を受ける導線の位置や回転半径が変化します。

しかし、コイル質量や慣性モーメントも増えるため、単純に大きいほど回転しやすいとは限りません。

磁石を強くするとどうなるか

他の条件が同じ場合、磁束密度が大きいほど導線に働く電磁力は大きくなりやすく、トルクも増加します。

そのため、より強い磁界を与えると始動しやすくなる場合があります。

ただし、磁石を近づけすぎてコイルへ接触すると逆効果になります。

電源電圧を上げるとどうなるか

回路の抵抗がほぼ一定なら、電源電圧を上げると電流が増えるため、電磁力も大きくなる傾向があります。

しかし、電流が大きくなるとエナメル線、接点、電池などの発熱も増えます。

電圧を上げる実験は、部品の定格や学校で指定された安全な範囲内だけで行います。

電流を測定する場合

モーター回路を流れる電流を測定すると、回転条件と電流の関係を考察できます。

電流計は回路へ直列に接続します。

ただし、簡易モーターでは接点が断続的に通電するため、デジタルテスターの表示値が安定しない場合があります。

回転数を測定する場合

回転数を比較する場合は、一定時間内の回転回数を動画から数える方法などがあります。

コイルへ目印を付けると、一回転を判定しやすくなります。

ただし、回転数だけでモーター性能を評価するのではなく、始動性や安定性も記録します。

回転方向を決める要因

変更条件	回転方向への影響
電流方向だけを逆にする	逆方向になりやすい
磁界方向だけを逆にする	逆方向になりやすい
電流と磁界を両方逆にする	元と同じ方向になりやすい

モーターが回らない場合

簡易モーターが回らない場合、原理そのものよりも、接点、摩擦、重心、被膜処理など工作上の条件が原因であることが多くあります。

通電したまま長時間試すのではなく、一度電源を外して原因を確認します。

被膜が十分に剥がれていない場合

接点部分にエナメル被膜が残っていると、支持具と銅線が電気的に接触せず、コイルへ十分な電流が流れません。

テスターの導通確認機能などを使用できる場合は、接点の状態を確認できます。

被膜を剥がしすぎた場合

簡易整流のために半面だけ剥がす設計で、全面の被膜を除去すると、回転位置に関係なく常時通電する状態になります。

そのため、回転を維持するための断続通電が機能せず、特定の向きで停止する場合があります。

剥離面の向きが左右でずれている場合

左右の軸で被膜を剥がした面の向きが大きくずれていると、両方の接点が同時に導通する区間が短くなったり、意図しない位置で電流が流れたりします。

作製時にコイル面との位置関係を確認してそろえます。

支持具の接触が悪い場合

軸と支持具が離れすぎていると電流が途切れます。

一方、強く挟み込みすぎると摩擦が増えて回転を妨げます。

電気的接触と機械的な自由回転の両方を満たす調整が必要です。

軸が曲がっている場合

軸が曲がっていると、回転中に支持具との接触圧が周期的に変化します。

そのため、摩擦や接触抵抗が変化し、回転が途切れる場合があります。

コイルが磁石へ接触する場合

コイルと磁石の間隔が小さすぎると、回転中に接触して停止します。

磁石を十分近づけながらも、コイルが一周しても接触しない間隔を確保します。

磁石が遠すぎる場合

永久磁石がコイルから遠すぎると、コイル位置での磁束密度が小さくなり、十分なトルクを得られない場合があります。

電池が消耗している場合

電池の端子電圧が低下している場合や、内部抵抗が増えている場合、コイルへ十分な電流を供給できないことがあります。

必要に応じて電池電圧を測定します。

短絡に近い状態に注意する

モーター用コイルは抵抗値が比較的小さい場合があります。

回転していない状態で長時間電流を流し続けると、導線、接点、電池が発熱することがあります。

異常な発熱を感じた場合は直ちに通電を停止します。

回転が途中で止まる場合

回転が数周だけ続いて停止する場合は、被膜を剥がした位置、軸の摩擦、コイルの重心、接点の不安定さなどを確認します。

回転するたびに同じ位置で停止する場合は、その角度でトルクや通電状態がどのようになっているかを考えると原因を特定しやすくなります。

回転が不規則な場合

コイルが大きく振れながら回転する場合、回転軸が中心からずれている可能性があります。

また、左右の支持具の高さが異なる場合も回転軸が傾き、摩擦が増えます。

コイルが振動するだけの場合

コイルが回転せず小刻みに振動する場合、電磁力自体は発生していても、回転を継続するための整流や慣性が不足している可能性があります。

被膜処理と停止位置、支持部の摩擦を確認します。

主な誤差・作製上の問題

原因	結果への影響	改善方法
軸が曲がっている	摩擦・振動が増える	左右の軸を一直線にする
重心がずれている	特定位置で止まりやすい	コイル形状を左右対称にする
被膜が残っている	電流が流れにくい	接点部分を確認する
被膜の剥離位置が不適切	適切な整流ができない	コイル面との位置関係をそろえる
支持具の摩擦	回転トルクを失う	自由に回転するよう調整する
磁石が遠い	磁界が弱くなる	接触しない範囲で近づける
電源電圧の低下	電流・トルクが小さくなる	電源状態を確認する

うまくいかなかった場合の考察例

コイルへ通電するとわずかに動いたが、連続回転しなかった。接点を確認したところ、回転軸の被膜を半分だけ除去した位置が左右でずれており、コイルが回転を続けるために必要な角度で十分に通電していなかったことが原因と考えられる。

また、コイルの回転軸がわずかに曲がっており、支持具との摩擦が大きかった。この摩擦トルクが電磁力による回転トルクに対して無視できなかったことも、回転が継続しなかった原因と考えられる。

改善点の書き方

コイルを改善する方法

• 巻き方を均一にする
• 左右の回転軸を一直線にする
• コイルの重心を回転軸へ近づける
• コイル形状が崩れないよう固定する
• 被膜を剥がす面の向きをそろえる

接点と支持部を改善する方法

• 導通する範囲を確認する
• 支持具を強く押し付けすぎない
• 左右の支持具を同じ高さにする
• 回転軸が自由に動く間隔に調整する
• 接触面の汚れや酸化を確認する

磁界条件を改善する方法

• 磁石をコイルへ適切に近づける
• 磁石の極性を確認する
• コイルが磁石へ接触しないようにする
• 比較実験では磁石位置を固定する

浅い考察とよい考察の違い

浅い考察の例

電気を流したらコイルが回ったので、モーターになった。

よりよい考察の例

永久磁石の磁界中に置いたコイルへ電流を流すと、コイルの左右の導線に互いに反対向きの力が働き、回転軸まわりのトルクが生じた。さらに、回転軸のエナメル被膜を半面だけ除去することで、コイルが回転を続けやすい区間で電流が流れ、逆向きのトルクが生じやすい区間では電流が遮断された。この断続的な通電とコイルの慣性によって、同一方向への連続回転が維持されたと考えられる。

このように、「観察した回転 → 電磁力 → トルク → 簡易整流」という順番で書くと、モーターが回転した理由を具体的に説明できます。

電池の極性を逆にした場合の考察例

磁石の配置を変えずに電池の極性を逆にしたところ、回転方向も逆になった。電池の極性を反転するとコイルを流れる電流の向きが逆になり、磁界方向は同じであるため、フレミングの左手の法則から導線に働く力の向きが逆転したと考えられる。

磁石を反転した場合の考察例

電池の極性を一定にして永久磁石のN極とS極を反転すると、コイルの回転方向が逆になった。これはコイルを流れる電流方向は同じまま磁界方向だけが反転したため、電磁力の方向が逆になったためと考えられる。

巻数を変えた場合の考察例

コイル巻数を増やすと回転トルクが大きくなる傾向が見られたが、巻数をさらに増やすと回転が不安定になった。巻数増加によって電磁力を受ける導線部分が増える一方、導線抵抗とコイル質量も増加したため、電流低下や摩擦・慣性の増加が影響したと考えられる。

磁石位置を変えた場合の考察例

永久磁石をコイルから遠ざけると回転が遅くなり、さらに離すと停止した。磁石から離れることでコイル位置の磁束密度が小さくなり、F = BIL sinθで表される電磁力が低下して、摩擦を上回る十分なトルクを得られなくなったためと考えられる。

摩擦についての考察例

支持具を狭くして回転軸を強く挟むと、通電してもコイルは回転しにくくなった。電磁力が発生していても、軸受け部分の摩擦トルクが大きい場合には回転を開始できないため、簡易モーターでは電気的条件だけでなく機械的な摩擦も重要であると考えられる。

電気エネルギーから運動エネルギーへの変換

モーターでは、電源から供給された電気エネルギーの一部がコイルの回転運動へ変換されます。

一方、すべてが機械的エネルギーへ変換されるわけではなく、コイル抵抗によるジュール熱、接点での損失、軸の摩擦などにもエネルギーが使われます。

回転中のコイルに生じる逆起電力

より発展的には、磁界中でコイルが回転すると、発電機と同じ電磁誘導によってコイルに起電力が生じます。

この起電力は電源による電流を妨げる向きに生じるため、逆起電力と呼ばれます。

実際の直流モーターでは、回転数が上がると逆起電力が大きくなり、電流が制限される要因の一つになります。

モーターと発電機の関係

モーターは電気エネルギーを機械的エネルギーへ変換しますが、同じ電磁気現象を逆向きに利用すると発電機になります。

磁界中でコイルを外部から回転させると、電磁誘導によって電圧が生じます。

そのため、モーターと発電機は電気と運動のエネルギー変換という点で密接に関係しています。

実際の直流モーターとの違い

自作する簡易モーターでは、エナメル被膜を部分的に除去して通電を断続させます。

実際のブラシ付き直流モーターでは、整流子とブラシを使って適切な回転位置でコイル電流の向きを切り替え、より安定して同じ方向のトルクを得ています。

また、実際のモーターでは複数のコイルや鉄心を用いることで、始動性やトルク、効率を高めています。

レポートで使える表現例

• 永久磁石の磁界中でコイルへ電流を流すと回転が生じた。
• コイルの左右に働く電磁力によって回転軸まわりのトルクが生じた。
• 電池の極性を反転すると回転方向が逆になった。
• 永久磁石の極性を反転すると回転方向が逆になった。
• 電流方向と磁界方向を同時に反転すると力の向きは元と同じになる。
• コイル端の被膜を部分的に除去することで通電区間が制御された。
• 簡易整流によって逆向きのトルクが生じやすい区間の通電が抑えられた。
• 磁石を遠ざけると回転が不安定になった。
• 軸の摩擦が大きい場合は十分な電磁力があっても回転しなかった。
• 巻数増加はトルクを増やす一方で、導線抵抗とコイル質量も増加させる。
• 電気エネルギーの一部が回転運動へ変換されたと考えられる。

モーター作製実験の考察で確認するポイント

• 磁界中の電流に力が働くことを説明したか
• フレミングの左手の法則と回転方向を関連づけたか
• コイルの左右に働く力からトルクを説明したか
• 被膜を部分的に剥がす理由を説明したか
• 簡易整流と連続回転を関連づけたか
• 電池の極性を反転した結果を考察したか
• 磁石の極性を反転した結果を考察したか
• 巻数・磁石強度・電流と回転の関係を考察したか
• 軸の摩擦や重心の影響を考察したか
• 接点不良や被膜処理を誤差要因として整理したか
• 異常な発熱を避ける安全上の注意を理解したか
• 簡易モーターと実際の直流モーターの違いを説明したか

まとめ

モーター作製実験では、永久磁石が作る磁界中にコイルを置き、そのコイルへ電流を流すことで、磁界と電流の相互作用による電磁力を観察できます。

コイルの左右には反対向きの力が働き、それらが回転軸まわりのトルクを生みます。さらに、エナメル線の被膜を部分的に除去して通電区間を制御することで、コイルの慣性を利用しながら同じ方向への連続回転を実現できます。

回転のしやすさは、電流、磁界の強さ、コイル巻数だけでなく、回転軸の直線性、重心、支持部の摩擦、電気接点、被膜処理などにも大きく影響されます。そのため、簡易モーターは電磁気学だけでなく、機械的な条件の重要性も確認できる実験です。

レポートでは、単に「モーターが回った」と記述するのではなく、「どの向きの電流と磁界によってどの方向へ力が働いたか」「なぜ被膜を半分だけ剥がすと連続回転しやすくなるか」「巻数や磁石配置を変えると結果がどう変わったか」「回らなかった場合に摩擦や接触状態がどう影響したか」を観察結果と結びつけて考察することが重要です。