回転しているモーターを手で止めると、なぜ電圧を発生させるのか

まずはこの動画をご覧下さい。
https://www2.nhk.or.jp/school/movie/bangumi.cgi? …
この動画では、このような実験が紹介されています。
乾電池にモーター二つを接続し、電気を流すと、二つのモーターが回転し始める。
→回転しているモーターのうち、片方を手で止めると、もう片方のモーターの回転が速くなる。

手で止められた方のモーターが、手回し発電機のようなはたらきをして、電圧を生じさせ、その分回転が速くなったのだろう、というところまでは私でも理解できました。
しかし、「なんでモーターを手で止めると発電するの？」と中学生の子どもに聞かれて、不甲斐ないことにうまく説明ができませんでした。
どのような説明が適切でしょうか。

電磁気学畑、教育学畑の方のご教授、待ってます。

No.7 回答者： ahkrkr 回答日時： 2020/12/13 17:00

> 手で止められた方のモーターが、手回し発電機のようなはたらきをして、電圧を生じさせ、その分回転が速くなったのだろう、

いいえ。止まっているモータには発電機の作用はありませんから電圧は生じません。回っているモータだけ発電機の作用があります。

この問題は色々な説明の仕方があると思いますが、中学生でも理解できる説明としては。

2台のモータが回っているときは ２台のモータの発電電圧の合計が電源電圧（今の場合 1.5V）と等しくなります。従って 1台のモータの発電電圧は 1.5 / 2 = 0.75V です。つまり、それぞれのモータが 0.75Vの電源で回っている状態です。

次に 1台のモータの回転を止めると、そのモータの発電電圧は 0Vになりますから、もう 1台のモータは発電電圧が 1.5Vになるまで加速し続け、1.5Vになったところでその回転数を維持します。
1台のモータで電源（1.5V）を占有するので前より速く回るということもできます。

No.6 回答者： tknakamuri 回答日時： 2020/12/12 10:42

もひとつ追加

無負荷DCモーターを電気側からみると、
コンデンサに見えます(抵抗ではない)。

電流が流れると回転子が加速して逆起電力が上がり
電源と逆起電カが拮抗すると電流がゼロになります。
動きはコンデンサそのもの。

これを覚えておくとDCモーターの挙動の見通しが
良くなります。

No.5 回答者： tknakamuri 回答日時： 2020/12/11 09:55

なんかおかしな方向に話が進みつつあるような気がするので

補足します。

直流モーターは、２極のものでは動きが大変複雑ですが、多極のものは
基本的に単純な直流発電機として動きます。モータに電源をつなげて
回している時もこのことは全く変わりませんし、それが直流モータの
基本です。

「2-1-3 DCモータの回転速度と逆起電力」
https://www.nidec.com/jp/technology/motor/basic/ …

直流モータの回転角速度を ω とすると、
直流発電電圧は E = αω
つまり、モータに無負荷で、電源電圧 V の
直流電源に接続すると
V = E = αω つまりω= V/α　で回転します。
このときモータに流れる電流はほぼ 0 になります。

＃無負荷でも電圧が決まれば回転速度が決まることに注意！

モータに負荷がつながっている場合
ωが小さくなり、V>E となるため、
i=(V-E)/R (R: 巻き線抵抗)　だけ電流が流れ
V・i がモータに流入する電力となり、モータの負荷を回します。

話を簡単にするため、モータの負荷はほぼゼロとしましょう。
2個のモータを直列につなげると

V=E + E = 2αω → ω=V/(2α) が回転速度になります。
これは電源電圧と発電電圧が釣り合っている状態です。

片方のモータを手で止めると、モータの発電(逆起電力)
が止まりますから
V = E + 0 = αω → ω = V/α
なので、倍の回転速度で回ることになります。

No.4 回答者： joshua01 回答日時： 2020/12/10 22:15

こんにちは。

なかなか高度な設問ですね。
他の方の指摘にあるように、動画の中にある「発電機」という表現は、説明方法としては不適切ではないかと感じられるのですが、一方、実はなかなか高度な問題で、正確に話そうとすると大変で私も自分の理解が少し不安なのですが・・・
次のようにご理解いただくのはいかがでしょう。

ポイントは、「モーターの中身は、ただの電線の束。でも、回転させるとなぜか電気抵抗になり、また、止められているモーターが回転するモーターに対しては補助電池にもなる」

ご存じかもしれませんが、実は、モーターの中の本体は電磁石であり、電磁石はコイル、いわばただの電線の束です。
モーターの中には少し細めの電線が単純なぐるぐる巻きの状態で入っているだけです。
したがって、実は、むしろ電池にモーターをつないだときにはなぜショートしないのか・・・のほうが疑問だったりしますが、今回の実験はこれが感じられる面白い実験ですね。

次の三段階の説明をしてみます。それぞれの段階でなんとなくでも納得いただけますでしょうか。

①　まずはモーターの仕組み
モーターは磁石の力で回転する。中身はコイル式電磁石。コイル式電磁石はただの電線の束。だから、本来は、電気が素通しで、電気抵抗がほとんどない。
ところが、モーターがただの電磁石と違うのは、本体に組み込んだ永久磁石と電磁石が引きあったり反発しあったりを繰り返して回転運動をさせるために、電気を高速で切り替えるためのブラシと呼ばれる小型の回転式スイッチがついていること。
このため、回転するモーターでは高速でスイッチが入ったり切れたりを繰り返しているため、見かけ上、電気は素通しにならず、電気抵抗が発生している。

②　直列繋ぎで回っているモーターはそれぞれが邪魔し合っている。
２つのモーターが直列つなぎで回転している場合、それぞれが電気抵抗として働いていて、お互いに電気の流れを邪魔しあうので両方とも回転が遅くなる。
しかし、一方のモーターの回転を無理に止めるとスイッチがつながりっぱなしになりただの電線としての本性が現れて電気の流れを邪魔をしなくなり、その理由だけでも他方の回転が速くなる。

③　実は、電磁石は補助的な充電式電池（補助発電機）としても働く。
モーターが回転すると電気が素通しにならないのは、回転スイッチが断続するせいであるが、もうひとつ理由がある。
実は電磁石は、超短時間の充電式電池の機能がある。スイッチが入ると磁力を発生するが、この磁力の形でエネルギーを貯めているともいえる。
このときに瞬間的に電気が流れにくくなる働きが起きる。このため、回転しているモーターは中身がただの電線にもかかわらずさらに電気が流れにくくなっている。
　もっとも、回転しているモーターでは、せっかく貯めた磁力のエネルギーはすぐ近くの永久磁石と引き合うことですぐに消えてしまう。
　このとき、実は、止められている方のモーターが意外な働きをする。
　止められているモーターには素通しの状態で電気が流れているので、電磁石としては働いており、瞬間的に磁力のエネルギーが貯まる。
　そして、回転しているモーターの回転スイッチが切り替わる瞬間、止まっているモーター側で短時間ながらエネルギーが解放され、何と、回転しているモーターには、ある一瞬では、繋がっている電池の２倍以上の電圧がかかり、より高速で回転できるようになる。
　いわば、止まっているモーターが、補助電池として働いている状態。なお、磁力のエネルギーで電気を発生するのは発電機の原理でもある。

さてさて、結構高度な内容ですので、うまく説明できず、すっかり長くなってしまいましたが、いかがでしょうか。
お役に立てば幸いです。

No.3 回答者： tknakamuri 回答日時： 2020/12/10 08:32

モーターは回転することで「逆起電力」を発電します。

逆起電力はモータの回転が速く成る程大きくなります。
それぞれのモーターの逆起電力の和が電源電圧と釣り合うことで
回転スピードがきまります。

片方のモータを手で止めればその逆起電力は止まり、もう片方の
モーターにほぼ全ての電源電圧がかかります。
その分モーターは速く回ります。

No.2 回答者： xs200 回答日時： 2020/12/09 23:10

止まっているモーターが発電しているのではなく、回転しているモーターが発電しています。

止められたモーターの逆起電力がなくなるので回転が速くなります。

モータの発電作用を見る
https://www.nidec.com/jp/technology/motor/basic/ …

No.1 回答者： lv4u 回答日時： 2020/12/09 22:55

＞＞手で止められた方のモーターが、手回し発電機のようなはたらきをして、電圧を生じさせ、その分回転が速くなった

この理解は間違いです。
実験では、どちらもモータとして使っているので、モータが手回し発電機に変身はしません。

モータが２つ直列になってどちらも回っていると、それぞれのモータには、電池の1/2の電圧が加わります。
でも、片方のモータを手で止めると、そちらのモータにかかる電圧がぐっと低くなり、残った回転しているモータに加わる電圧が高くなります。
ですから、回転しているモータの回転速度が上がったのです。