アラゴのローテーション

アラゴ回転は、磁化された針と動く金属円盤の相互作用を伴う、観察可能な磁気現象です。この効果は、 1824 年にフランソワ アラゴによって発見されました。発見当時、アラゴ回転は説明が困難な驚くべき効果でした。1831 年にマイケル ファラデーは、この効果がどのように発生するかを詳細に説明した 電磁誘導の理論を発表しました。

他の科学分野でよくあるように、磁気回転の発見は数人によってほぼ同時になされ、その全員に優先権が主張されている。1824年頃、パリの有名な計器製作者ガンベイ^{[1] [2]}は、コンパスの針が軸を中心に振動するように設定されている場合、コンパスボックスの底が木や他の材料の場合よりも銅の場合の方が早く静止することを偶然観察した。ウーリッジのバーロウとマーシュ^[3]は、同じ時期に、鉄の球を近くで回転させると磁針にどのような影響が及ぶかを観察していた。天文学者のアラゴ^{[4] [5] [6]}はガンベイからこの現象を学んだと言われているが、1822年にフンボルトと磁気測定に取り組んでいたときに独自に発見したとも言われている^[7]。アラゴがこの観測結果を1824年11月22日にパリ科学アカデミーの前で口頭で発表したのも、この観測結果を初めて発表した人物であることは疑いようがない。アラゴはコンパスの針をさまざまな素材のリングに吊るし、針を約45°傾けて、針の振り角が10°に減少するまでの振動数を数えた。木製のリングではその数は145、薄い銅のリングでは66、頑丈な銅のリングではわずか33だった。

銅の塊の存在の効果は、針の振動を弱めることである。各振動は以前と同じ時間かかるが、振幅は小さくなり、動きはまるで目に見えない摩擦が働いているかのように弱まる。アラゴは、これは磁石の針と銅の塊の間に相対運動がある間だけ存在する力の存在の証拠であると述べた。彼はこの現象を回転磁気と名付けた。1825年に彼はさらなる実験を発表し、その中で作用と反作用の原理から議論し、銅の円盤の動きによって静止した針に反作用を生じさせた（図1）。紙またはガラスのシートで底を閉めたガラス瓶の中にコンパスの針を吊り下げ、回転する銅の円盤の上にそれをかざした。円盤がゆっくり回転すると、針は磁気子午線から外れ、円盤の回転方向に回転する傾向がある。まるで目に見えない形で円盤に引きずられているかのようだ。回転が速いほど、ずれは大きくなる。回転が非常に速く、針が 90° 以上引きずられると、連続的な回転が起こります。しかし、アラゴは、力が単純に接線方向ではないことを発見しました。回転するディスク上の天秤の梁から針を垂直に吊り下げると、ディスクが回転すると針が反発されることを発見しました。ディスクに最も近い位置に吊り下げられた棒にも放射状の力が作用し、棒がディスクの端に近い場合はディスクを放射状外向きに押し、中心に近い場合はディスクを放射状内向きに押します。

クーロンの遠隔磁気作用に関する考えにどっぷり浸かったポアソンは、回転磁気の理論を構築しようと試み、磁石の存在下ではすべての物体が一時的に磁気を帯びるが、銅ではこの一時的な磁気が消えるまでに長い時間がかかると主張した。アラゴは、この理論は事実を説明できていないと指摘したが、無駄だった。いわゆる「回転磁気」は固定観念になる恐れがあった。

この段階では、この現象はバベッジとハーシェル、クリスティ、後にはスタージョンとファラデーといったイギリスの数人の実験者によって研究されていた。バベッジとハーシェルは、さまざまな物質が針に及ぼす減速力の大きさを測定し、最も強力なのは銀と銅（この2つは電気の最も優れた伝導体）であり、次に強力なのは金と亜鉛であり、鉛、水銀、ビスマスは力がはるかに劣ることを発見した。1825年に彼らはアラゴの実験を逆転させることに成功したと発表した。というのは、彼らは軸の付いた銅の円盤の下で磁石を回転させることで（図2）、円盤を活発に回転させたからである。彼らはまた、銅の円盤に放射状に切り込まれたスリット（図3）が、回転する磁石によって円盤が回転する傾向を弱めるという注目すべき観察も行った。スリットのない円板の回転力を 100 とすると、放射状のスリットが 1 つあると回転力は 88 に、放射状のスリットが 2 つあると回転力は 77、4 つあると 48、8 つあると 24 に減少します。1826 年、アンペールは、回転する銅の円板が、電流が流れている隣接する銅線に回転モーメントを及ぼすことを示しました。ドイツのゼーベック、スイスのプレヴォとコラドン、イタリアのノビリとバチェリは、イギリスの実験者の観察を確認し、他の研究者も追加しました。スタージョンは、動く銅の円板に対する磁極の減衰効果は、最初の磁極の横に反対種類の第 2 の磁極を置くと減衰することを示しました。 5 年後、彼はこの研究に戻り、その効果は電気的擾乱、つまり「電磁気学で起こることに対する一種の反応」であるという結論に達しました。これは、1831 年にファラデーが磁気電気誘導に関する優れた研究を発表したことで、彼が探していた完全な説明が先んじられたためです。実際、ファラデーは、磁石と銅の円盤の相対運動によって、円盤の金属に電流が必然的に発生し、その電流が今度は磁極に反応して、相対運動を減少させる相互力、つまり、静止部分 (磁石であれ円盤であれ) を可動部分の方向に引きずり、可動部分の動きに常に反対する力が生じることを示しました。実際、電流は、スライド接点によって誘導されない限り、可動円盤内で渦を巻いています。

ファラデーは、実際にこれを実現しました。彼は銅の円盤を強力な磁石の極の間に端から挿入し (図 4)、それを回転させ、その端と軸にバネ接点を押し当てて電流を逃がしました。運動と磁場の線に対して直角に作用する起電力によって、円盤の半径に沿って流れる電流が発生します。外部経路が提供されていない場合、電流は円盤の金属内で内部の戻り経路を見つける必要があります。

図5は、磁極間を回転するディスクに一対の渦が形成される様子を示しています。これらの渦は、最大起電力の半径の両側に対称的に配置されています^[8]（図6）。

渦電流の循環の方向は、常に相対運動に逆らうような方向である。極から遠ざかる部分の渦電流は、極を前方に引き寄せるか、ディスクのこの部分を後方に引っ張る傾向がある。極に向かって進む部分の渦電流は、それらの極を反発し、また反発される傾向がある。ディスクに切り込まれたスリットは、渦電流の流れを制限する傾向があることは明らかであり、それを制限することによって、金属内の渦電流の可能な経路の抵抗が増加するが、起電力は減少しない。スタージョンの研究^{[9] [10] [11]では、ディスク内の渦電流の方向を確かめるための多くの実験が説明されている。同様の、しかしより完全な研究が}マテウチによって行われた。回転する球の誘導は、ヨッホマンによって数学的に研究され、後にヘルツによって研究された。

ファラデーは渦電流に関する興味深い実験をいくつか行った。そのなかでも、彼は強力な電磁石の両極の間に銅の立方体をねじった糸で吊るした (図 7)。電流を流す前に、立方体はその重さでコードのねじれをほどき、急速に回転した。電流を流して磁石を励磁すると、立方体は瞬時に停止するが、電流が途絶えるとすぐに再び回転し始める。マテウッチはこの実験に変化を加え、紙で区切った四角い銅板の破片で立方体を作り上げた。この積層立方体 (図 8) をフックaで磁場に吊るし、その層が磁場の線と平行になるようにすると、電磁石の電流が突然流れても回転を止めることができなかった。一方、フックbで吊るし、層が垂直面になるようにして回転させる場合は、電磁石が励磁されるとすぐに回転が停止した。後者の場合、渦電流は磁力線に対して直角の平面内の経路を必要とするため、循環することができます。

アラゴ回転は誘導された渦電流によるものだとファラデーが説明したため、原因が不明だった間に巻き起こった奇妙な関心は、ほとんど消えてしまったようだ。確かに、数年後、フーコーが、抗力にもかかわらず磁場内で回転を強制的に続けると、金属ディスクを加熱できることを示したことで、いくらか関心が復活した。この観察により、アラゴの現象の説明としてファラデーが発見した渦電流がフーコー電流と呼ばれるようになった理由は明らかではない。もし誰かが自分の名を冠した渦電流を持つ栄誉を受ける資格があるとすれば、それは明らかにファラデーかアラゴであって、フーコーではない。少し後に、ル・ルーは、同心円状の磁極の間で回転する銅のディスクは加熱されず、抗力も受けないというパラドックスを提起した。この説明は以下の通りである。ディスクの片面の前に環状の N 極があり、もう一方の面の前に環状の S 極がある場合、ディスク全体にわたって磁場が生成されますが、渦電流は発生しません。ディスクの周囲全体に、放射状内側または放射状外側に向いた等しい起電力がある場合、ディスクのどの半径に沿っても電流の戻り経路は存在しません。周辺は、中心とはわずかに異なる電位になるだけですが、ディスク内のどの閉じた経路の周りの起電力もバランスが取れているため、電流は流れません。

1884年、ウィロビー・スミスは回転する金属ディスクに関する研究を発表し^[12]、鉄のディスクが同等の大きさの銅のディスクよりも優れた起電力を生み出すことを発見しました。

1879年にガスリーとボーイズは^{[13] [14] [15]、}ねじり糸を使って回転する磁石の上に銅板を吊り下げ、ねじれが回転速度に正比例することを発見した。彼らは、このような計測器が機械の速度を測定するのに非常に正確であると指摘した。彼らはまた、銅板と磁石の間の距離を変えたり、銅の円盤の直径と厚さを変えたりして実験を行った。

さまざまな金属について実験が行われ、金属を板状に丸めてから測定すると、トルクは金属の導電性に応じて変化することがわかりました。その後、ガスリー氏とボーイズ氏はこの方法を液体の導電性の測定に適用しました。

1880 年、デ・フォンヴィエルとロンティンは、軽く回転する銅の円盤を、磁石のある長方形のフレームに巻かれた銅線のコイル (古い検流計のコイルのようなもの) 内に配置し、通常のルムコルフ誘導コイルから交流電流を供給することで、一度回転を開始すれば、連続的に回転し続けることができることを発見しました。彼らはこの装置を電磁ジャイロスコープと呼びました。

1879 年以前には、アラゴ回転をモーターの製造に利用できるとは誰も考えていなかったようです。

磁針は、銅の円盤のすぐ上の支点または紐に自由に吊り下げられています。円盤が静止している場合、磁針は地球の磁場と一直線になります。円盤が平面内で回転している場合、磁針は円盤と同じ方向に回転します。(磁石と円盤の距離が離れるほど、磁針の作用は小さくなります。)

バリエーション:

• ディスクが最小限の摩擦で自由に回転し、針がディスクの上または下で回転する場合、ディスクは針と同じ方向に回転します。(針がより大きな磁石である場合、これは観察または測定が容易になります。)
• 針が回転できない場合、針の存在によってディスクの回転が遅くなります。(針が大きな磁石であれば、これを観察または測定するのは簡単です。)
• 電気伝導性を持つ他の非磁性材料（銀、アルミニウム、亜鉛などの非鉄金属）もこの効果を生み出します。
• 非導電性、非磁性の材料（木材、ガラス、プラスチック、氷など）では効果は得られません。

導体と磁石の相対運動により、導体に渦電流が発生し、相対運動に反対または抵抗する力またはトルクが生成され、物体を「結合」しようとします。同じ抗力のような力が、渦電流ブレーキと磁気減衰に使用されます。

• ファラデーディスク
• 誘導モーター
• 電磁気理論の歴史

• ウォルター・ベイリー、「アラゴの回転を生成する方法」。1879 年 6 月 28 日。(哲学雑誌: 理論、実験、応用物理学のジャーナル。テイラー & フランシス、1879 年)
• シルバヌス・フィリップス・トンプソン、「多相電流と交流モーター」。1895年。

この記事には、パブリック ドメインである次のソースからのテキストが組み込まれています: Polyphase Electric Currents and Alternate-Current Motors。ロンドン、Sponn & Chamberlain。1895 年。

• アラゴのローテーション（YouTube 動画）