下の図のコイルはなぜ動くのですか？電磁石

下の図の鉄芯と永久磁石は接着剤で固定しております。
このコイルに交流を流すとコイルがカタカタと振動しました。

何故コイルは動くのでしょうか？

電磁石の原理により、鉄芯に現れる磁極と永久磁石との吸引反発力で「鉄芯」が振幅するなら分かるのですが、
この鉄芯が永久磁石と固定されている状態では、コイルは動かないような気がするのですが・・・。

誰か説明お願いします。

この瞬間は鉄芯のここが何極、コイルのここは何極、になっているからこう動く
などのように詳しく教えて下さると幸いです。

No.8 ベストアンサー 回答者： sailor 回答日時： 2012/01/23 11:32

確かにコイルの発生する磁力で永久磁石により磁化さえれている鉄芯の磁力も変化しますが、その場合でも鉄芯とコイルの間に力が働くことには変わりはありませんので振動します。

ただし、コイルの発生する磁力が鉄芯や永久磁石の磁力を大きく上回ってしまえばくっ付いたままの状態になります。ただし、この状態でも吸引する力はコイルに流れる電流の変化とともに変化します。完全に張り付いた状態ですから振動自体は起こらない場合も有るでしょうけれど、力の変化は相変わらず起こっています。ただ、本来反発する方向に磁化されたとしても、永久磁石の持っている磁力がコイルの磁力に負けてしまいコイルの発生する磁力の方向と同じになってしまうということです。しかし、この場合でも吸引する力は周期的に変化しています。コイルに電流が流れている限り相互の間に力が働くことは変わりません。ただし、ある一定のレベル以上コイルの磁力が強くなると反発・吸引ではなくて吸引の強弱と言う形に変わると言うことです。

これは非常に強力な永久磁石のN極と弱い磁石のN極を近づけると、本来反発するはずの磁石同士がくっ付いてしまうのと同じです。

それから永久磁石に固定された鉄芯と磁石を別のものとして考えているようですが、このような状態ではひとつの磁石と考えることが出来ます。、この実験では動きをより見やすくするために、磁石の上に鉄芯を取り付けた形になっていますが、鉄芯など無くても、磁石の上にただコイルを載せて交流電流を通じれば振動は起きますし、この場合でもコイルの発生する磁力が磁石の磁力を大きく上回ってしまえば、コイルと磁石は張り付いた状態になってしまいます。

この回答への補足

回答本当にありがとうございます。コイルに比べ永久磁石の力が非常に強いので、鉄芯は永久磁石と同じになるのですね！

また質問ですが
永久磁石の上面がN極下面がS極の場合、鉄芯の上端はN下端はSになりますよね？
そしてコイルに交流を流すとコイルの上端と下端がN/S切りまわりますよね？

その場合
１．コイルの上端がN下端がSの場合、コイルは上昇するのですか？下降するのですか？
その場合だと鉄芯と同じく上がN下がS極になるので、上も下も反発し合って宙に浮く感じになるのでしょうか？

２．またコイルの上端がS下端がNの場合、コイルは上昇するのですか？下降するのですか？
この場合だと鉄芯とは逆に上がN下がSになり、上も下も引っ張り合って宙に浮く感じになると思うのですが・・・。

どの状態の時に上昇して、どの状態の時に下降するのでしょうか？

よろしくお願いします。

補足日時：2012/01/23 17:55

No.10 回答者： FT56F001 回答日時： 2012/01/24 13:11

この手の問題，フレミングの左手の法則で説明する方法と磁石の吸引反発で説明する方法があります。

磁石の上側がN極とすると，永久磁石が作った磁束が鉄心から出て磁石のS極に戻ります。この磁束とコイル電流にフレミングの左手則を適用すると，コイルに働く力がわかります。(図中(a)(b)の赤矢印)

また，コイルによって作られる磁極は，電流の向きによって右ネジの法則で決まります。コイルのN極(図中赤字)と磁石のN極が向かい合う(c)の場合は反発力，NとSが向かい合う(d)の場合は吸引力が働きます。

No.9 回答者： burahuman 回答日時： 2012/01/23 17:39

4です

永久磁石の影響で鉄芯は棒磁石になっていてそれを打ち消すほどの磁力をコイルで発生できないためコイルの変動するＮＳと棒磁石のＮＳとの反発吸引によってコイルは上下に振動するのだと思います。

No.7 回答者： misawajp 回答日時： 2012/01/22 22:38

＞コイルの磁気力が永久磁石より大きくなれば、鉄芯の磁極はコイルと同じになり、

＞コイルの磁気力が永久磁石より小さければ、鉄芯の磁気力は永久磁石と同じになる。

同じにはなりません　双方の影響がバランスする状態でです


早とちりする傾向があるようです
じっくり検証する癖を付けてください

この回答への補足

何度もすみません。

また間違えているかもしれませんが、
コイルの磁気力＞永久磁石の磁気力
の場合
鉄芯の磁気力＝コイルの磁気力－永久磁石の磁気力
ということでしょうか？

磁気力と言えばいいのか、磁極の向き及び磁気力と言えばよいのか・・・。

補足日時：2012/01/22 23:01

No.6 回答者： misawajp 回答日時： 2012/01/22 21:11

＞鉄芯は永久磁石と同じ磁極になっているということですか

コイルに電流を流す前はそれで良いでしょう

電流を流せば鉄心は両方の影響を受けます
どうなるかは個々の要件によります

この回答への補足

＞どうなるかは個々の要件によります

コイルの磁気力が永久磁石より大きくなれば、鉄芯の磁極はコイルと同じになり、
コイルの磁気力が永久磁石より小さければ、鉄芯の磁気力は永久磁石と同じになる。

ということでよろしいのでしょうか？

補足日時：2012/01/22 21:51

No.5 回答者： misawajp 回答日時： 2012/01/22 19:44

＞磁石の原理により、鉄芯に現れる磁極と永久磁石との吸引反発力で「鉄芯」が振幅するなら分かるのですが、

ここに勘違いがあります　質問者の言の磁極はコイルが発生させます鉄心は磁力線が（空気中より）通り易い通路であるだけです

交流ですからコイルの磁力の向きは半サイクル毎に反転します

本質が理解できず表面的な受け取りしかできていないからです

この回答への補足

回答ありがとうございます。

ということは鉄芯は永久磁石と同じ磁極になっているということですか？

鉄芯はコイルの影響で磁極N/Sが切り替わったりしないのでしょうか？

よろしくお願いします。

補足日時：2012/01/22 19:56

No.4 回答者： burahuman 回答日時： 2012/01/22 16:39

仮に永久磁石の上面がＮなら鉄棒の下面がＳ、上面がＮになっている。

コイルに交流電流を流すとコイルの上面と下面にＮＳが毎秒50回または60回入れ替わる磁界が発生する。
つまり鉄芯のＮＳとコイルのＮＳが相互作用を起こしてコイルが上下に動く

と言うメカニズムです。

この回答への補足

回答ありがとうございます。

鉄芯はコイルの影響で磁極が切り替わったりしないのでしょうか？
コイルの磁力に比べ永久磁石の磁力の方が強いから、鉄芯はコイルに影響されずに永久磁石と同じ向きの磁極になるのでしょうか？

よろしくお願いします。

補足日時：2012/01/22 20:00

No.3 回答者： sailor 回答日時： 2012/01/22 15:12

えーとですね。

まず、多分大きな勘違いがあると思いますので、それを訂正しておきますね。鉄心の周りにコイルを巻いて電磁石になることは間違いないのですが、このとき磁力を発生しているのは鉄心ではなくてコイル自体なのですよ。鉄心を入れるのはコイルに発生した磁力を効率よく集めるためで、鉄心など無くてもコイルに電流を流すと磁力は発生します。ただし、この状態ではコイルの周囲に広く磁力が広がってしまうので、磁力を集めやすい性質を持つ鉄などの材料を芯にして集めているだけなのですよ。だから、鉄芯など無くてもコイルが発生している磁力の強さは同じです。一箇所に集めるかどうかの違いだけと言うことです。ためしに鉄芯を使わないで紙の筒などにコイルだけを巻いて電流を流してみてください。これでもクリップや砂鉄を吸い付ける磁力は出ていることが確認で出来るでしょう。フレミングの法則と言うのがあるのですが（習ってないかな？）別にコイルのように巻かなくても。たった一本の電線でも、電流を流すとちゃんと磁力は発ししますし、その極性は電流の向きで決まるんです。交流というのは電流の向きが時間とともに変化するので、コイル発生する磁力の向きもそれに応じてＮ/Ｓが変化しますので、当然コイルも動きます。鉄芯に巻かれたコイルが電磁石になるのではなくコイル自体が電磁石になるのです。この場合は自由に動ける電磁石（コイルが）磁石に巻かれているのと同じです。

コイルの何処が何極という話ですが、これはちょっと難しいんですよ、コイル全体としてはどちらがＮでどちらがＳと言うようにいえるのですが、実はコイルの線のどの部分でも、それぞれにＮとＳになっていいるのです。そして、それらの向きは電流の方向で決まりますので、同じ方向に巻かれたコイルでは、無数の小さな磁石が電流の方向で決まる極性に揃って変わると言うことです。

載せていただいた図では、鉄心は永久磁石に接しているので固定された磁石と同じですね。そこに自由に動けるコイルを巻いたパイプが通っているので、巻かれたコイルに流す電流の方向によってコイル全体として上がＮになったり下がＮになったりと変化しますから、固定された鉄心（磁石と同じ）に対して反発や吸引の力が生じて振動するのです。これを実際に使っているのがスピーカーです。スピーカーには強力な磁石と鉄材で作られた小さな隙間を持つ磁気回路と言う名前の磁力をうまく集中させる部分がありますが、そこに紙などの芯に巻いたコイルが隙間とは触れないように差し込まれています。ここに音声電流のように変化する電流を通じると、コイルには電流の変化の通りに振動する力が働きます。このコイルに紙などで出来た大きな振動板を取り付けて、音声電流の通りに空気を振動させて音にするのがスピーカーです。

この回答への補足

はい勘違いしておりました(>_<)回答ありがとうございます。
鉄芯は永久磁石と同じ極の向きになるのですね！

でももし永久磁石なしのコイルと鉄芯だけの状態で交流を流した場合、
鉄芯はコイルと同じようにN/S極が切り替わるのですか？

もしそうならば鉄芯が永久磁石にくっついている状態でも、コイルにより鉄芯も極が切り替わってしまうのではないかと思うのですが。

よろしくお願いします。

補足日時：2012/01/22 19:50

No.2 回答者： notnot 回答日時： 2012/01/22 14:52

電磁石というのは、電流が流れる導線の周りに磁界が発生することを利用する物です。

鉄心に磁力が発生するわけじゃなくて、導線に磁界が発生します。鉄心はその発生する磁界を強めるだけです。もちろん、誘導により鉄心にも磁界が発生します。

No.1 回答者： tpg0 回答日時： 2012/01/22 14:41

電磁石に交流を加えると、交流の周波数(1秒間に±極性が入れ換わる回数)に応じて、電磁石のS極とN極も変わりますから、コイルがしっかり固定されてないと振動します。

このような性質を利用したのが「ブザー」です。
ブザーのコイルはしっかり固定されますが、極性が入れ換わることで電磁石に接した鉄片を振動させてブザー音を出します。