ファラデー単極誘導発電実験における発電電圧測定の高精度化

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研究目的学生実験用に開発したファラデー単極誘導発電実験機を現在の実験装置と比べて2倍以上の高精度で発電電圧と回転数の測定結果を得ることを目的とし、研究を行った。研究方法本研究を遂行するに当たり、装置の新規設計、製作を行った。手回し部のモーター化は、速度可変型ブラシレスDCモーター(50W、減速比4)を用いた事で解決した。自作ロータリーエンコーダは、ギアヘ4箇所(90度間隔)穴を開け、LED,フォトトランジスタを用いて回路を製作した。回転数の読み出しにはオシロスコープを用いた。回転数の計算は、銅盤、磁石軸のギア比を0.25としたことから、オシロスコープによる波形をそのまま回転数と読み取るととが出来る様に工夫した。電極については、「レコードの針」の様な機構を採用した。この機構は、任意の回転半径における測定が可能で振動に強い特性がある。また、電極、銅盤の材質はC1020無酸素銅を用いた。電極部へはαゲルという防振材を用いて銅盤との安定した接触を図った。製作後、耐久テストを行った。テストは最大回転数(2500r.p.m.)で3分間連続運転を行った。電極の磨耗テストについては、約500r.p.m.で15分間連続運転を行った。研究成果単極誘導発電実験機の動作テストは、全て設計条件を満たしていることを確認した。特に、電極の磨耗と防振化については、学生実験用と比べて良い結果となった。次に回転速度に対する発電電圧の測定を行った。この結果、発電電圧は回転数に比例することを確認できた。また、最大発電電圧は27.5mVとなり、計算上の半分程度となった。原因は電極の接触抵抗等が考えられるが、詳しくは不明である。回転半径に対する発電電圧は、磁場の不均一性から比例関係にはならなかった。発電電圧の高精度化の鍵である接触ノイズは、オシロスコープにより測定した結果Peak to Peak約100mVから40mVとなった。これは、電極部の接触方法と防振材による効果が大きいと考えられる。しかし、発電電圧に対するノイズの割合が大きいことから、コンデンサーを入れることで平滑化を行った。本装置は平成21年度の学生実験の講師用装置として使用してもらうことを検討している。