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「電気と磁気」の謎? ~ブロッキング発振用コイルを手巻きしてみる

 エネルギー保存則も捨てられ、
ニュートンの作用・反作用の法則も破る実験が日立の研究所でおこなわれ
世の中、わからないことだらけですが
そのなかの一つが標題にした「電気と磁気」。
なんで電線に電気が流れると磁力線が発生し同心円状に磁界ができるのか?
という根源的な疑問については
いまの科学という学問でも、それはそういうもの・・・として、
現象が存在するというそこから出発し、数学的にも理論が構築されているので、
疑問を挟む方が野暮っていわれそうです・・・。

 ということで「謎」はナゾとして脳みその片隅においといて、
単に現象を説明するということであれば、
他の物理現象と関連づけて精密な理論が組み立てられているので文句ないです。
また、それら理論を使うことで実際に変圧器やコイルを作ったり
発電機やモータも作ることには支障はなく、実用上困ることはありません。
「なぜ」は依然として残ったままですが。

 ちなみに現象が初めて発見されたのは200年近く前の話になり、
1820年7月エルステッドの実験だそうです。

【 Tips&Memo 】
今般、乾電池一本でブロッキング発振をさせて、
LEDを光らせたり、ピエゾ素子を鳴らす実験をやっています。
扱う電力はとても小さいので、コアも小さくてもOK、巻線も細くて大丈夫だろうという想定です。
そこでいろいろ試したところ、
逆起電力が十分得られるには20mH程度のインダクタンスがあればよく
それで実用のレベルになることがわかりました。

 手に入る最小のトロイダルコアを使って、20mHを得られるような細さのエナメル線を巻いてみました。
一重巻で目一杯巻いて20mHほどが得られるということでマグネットワイヤーは0.2mmφを調達。
もっと細ければ、より大きなインダクタンスにはなりますが、
細すぎると巻線の端末処理が難しくなるので、0.2mmが精一杯です。
予めピンが出ているラジアル型のコアーならば0.07mmなどの細線でも巻けますが、
足のないトロイダルコアーでは、巻線が細いとそれではコイルを自立させることができず、
端末処理が難しくなり扱いが厄介です。
 ※コイルをしっかり固定してから巻線を回路に半田付けするなどの方法になります。

 今回使うコアは、既製品のコモンモードフィルターの巻線をほどいてコアとその巻線も流用しています。
いまのところ、これが最も小さいです。
 外径9.1mmφ、内径5.0mmφ、高さ3.2mm
トロイダル型でない、ボビン状のラジアル型の既製品もありますが、
高価すぎて不釣り合いとなるので、使いません。
シールド型もありますがそれだと二次巻線を巻けないので、それも却下。

 ということで安く手に入るトロイダルコアにしたということです。
トロイダルコアはそもそも磁束の漏れがなく、
かつ透磁率が高いコア材だと巻数が大幅に少なくて済むという、大きなメリットがあります。<-- これは助かる

 そうはいっても、
なんせドーナッツ状の輪っかなので、巻くのが手間というデメリットがあります。
といっても66回巻くのに、エナメル線は71cmしか使わないので
しかも、半分に折って、中心から左右に巻いていけば捌かなければならない巻線の長さは最大でも36cmほどで済み
手間もそれほどのことでもないです。

Toroidal inductors 22mH 66T using Common Mode Choke core  クリックで原寸大
02mmCoil_02_s.jpg


Toroidal inductors 22mH 66T  クリックで原寸大
02mmCoil_03_s.jpg


この66Tのコイルをベースにして、この上に二次巻線を重ねて巻きますが、用途に応じて巻数を調節します。
LEDを駆動する分には、発振周波数は高くても光るので、二次巻線の巻数は少なくてもOKです。
※例えば14kHzとか・・・
あと、カットアンドトライをやるとすれば効率がよくなる周波数を探すべく巻数を調節します。

 他方、ピエゾ素子での応用では
発振周波数が高すぎると振動板が追従できず音になりません。
なので、
だいたい3kHz~5kHzぐらいになるように二次巻線の巻数を増やします。
 ※例えば16回0.2mmφ
これはピエゾ素子の形状・特性によってその最適周波数は違ってくるので
例えばもっとも音が大きくなるような巻数にするというような調整方法になります。
もしシグナルジェネレータとアンプなどの別の装置があれば
それらを使ってピエゾ素子を駆動してあらかじめ最適の周波数を知っておくのも有効な方法です。

二次巻線を巻いたところ
【 ピエゾ素子駆動用 】
Toroidal inductors Pri. 66T 18.65mH 2nd. 16T 3.175mH  クリックで原寸大
02mmCoil_04_s.jpg

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