ボタン磁石を両端につけた乾電池が導体コイル中を運動する理由

1.　まえがき

　「電気モグラ」、「世界一簡単な構造の電車」などという題名で、ボタン磁石を両端につけた
　乾電池が、導体コイル中を運動する動画がたくさんある。しかし、ほとんど動作原理の説明が
　無く、説明している動画も簡単すぎて疑問がある。

　　(1) コイルの磁界を磁極で説明しているが、磁性体の内部とは異なり、空芯コイルの内部の
　　　磁界の方向は磁性体とは逆。つまり、コイルの外に「電車」を置いた時、逆方向に運動す
　　　る説明が苦しい。というのは、どのような磁極と等価が難しい。
　　(2) ボタン電池は一つの磁極だけではなく、NSの2つの磁極が接近して存在し、この説明が
　　　抜けている。

2.　設定

　・　怠惰なため実験での確認はできないが、動画から以下の推定をした。
　・　コイルは裸導線で電池の接触によって電流が流れるが、ピッチ間でショートしないように
　　　設定される。
　・　ボタン電池はネオジウム磁石で導体でもある。電池の各極に同じ極を付ける（電池の極は
　　　は磁性体である）。これらの吸着した部分は1つのNS極を持つ磁石となる。電池の内部の
　　　黒鉛棒は磁性体でなく、両端は同一極なので無視してよい。つまり、両端にNS極が接近し
　　　て存在する。
　・　電池の電流により、電池の負方向に向かう磁界ができるようにコイルがまかれている。
　・　なお、磁界Hと磁荷mがあると F=mH という力が働く。



3.　考察

　(1) 磁界を作るリング電流は電池の長さの範囲にあり、当然、電池の中心で大きく、両端に行
　　くにしたがって小さくなる。その変化は電池の両端で大きい。
　(2) すると、図1のように両端のS極の力より、N極の力が大きい。その差によって、右方向の
　　力が働き、右方向に移動する。もし、これが正しければ、電池でない棒に磁石をつけ、長い
　　コイルの両端に電流を流すと、ほとんど動かないはずである。多分、入り口で引き込まれて
　　中に入った後、すぐ停止する。

　(3) このことから、一方の端のNSを入替えると、力が反対方向になり、キャンセルされ、ほぼ
　　力が働かないことがわかる。さらに、両側ともにNSを逆にすると、逆方向の力が働き、左方
　　向に移動することがわかる。
　(4) 以上のことから、磁石を重ねても、両端の磁荷はあまり変わらない。しかし、NS極の間隔
　　が離れるので、力の差は大きくなるはずで働く力は大きくなる。

　(5) 最後に、図2のように、コイルの外側に乗せたときどうなるか。当然、磁界の向きは逆で小
　　さくなっている。だから、速度は小さく、移動方向は反対となる。

以上

[2019/9/13] 動画の追加、説明の修正。