DCモーターの原理とフレミング左手の法則DC Motors and Fleming's Left-Hand Rule

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 電池の向きだけを反対にすると、モーターの回る向きはどうなるだろうか。では、電池の向きと磁石のN極・S極を両方とも反対にしたらどうなるだろうか。If you reverse only the battery, what happens to the motor's direction of rotation? What if you reverse both the battery and the magnet's N and S poles?💡 フレミング左手の法則では、電流（中指）と磁界（人差し指）の向きが決まると力（親指）の向きが決まる。指を1本ずつ逆向きにして考えてみよう。In the left-hand rule, the current (middle finger) and the field (index finger) together fix the force (thumb). Try flipping the fingers one at a time.
2. コイルに流れる電流の向きがずっと同じままだったら、コイルは回り続けられるだろうか。If the current in the coil always flowed the same way, could the coil keep turning?💡 コイルが半回転すると、左側にあった導線は右側へ移る。そのとき、その導線にはたらく力はコイルをどちら向きに回そうとするか考えよう。After half a turn, the wire that was on the left moves to the right. Think about which way the force on that wire would then try to turn the coil.

2動かしてみようTry it

1. 最初の設定（「電流の強さ」1.5 A、「磁界の強さ」×1.0、チェックなし）のまま観察する。「① 断面ビュー」で磁界の矢印の向き、●（手前へ）と×（奥へ）の導線、オレンジの力Fの矢印を確かめ、右側の「フレミング左手の法則」の図と見比べる。Start with the default settings (Current 1.5 A, Magnetic field ×1.0, nothing checked). In "① Cross section", find the field arrows, the ● (out of page) and × (into page) wires, and the orange force arrows F, and compare them with the "Left-hand rule" diagram on the right.
2. 「② 回転ビュー」で整流子とブラシを見ながら、コイルが縦向き（導線が真上と真下）を通る瞬間を待つ。その前後で、●と×の導線や整流子の色（赤・青）がどう入れ替わるかを観察する。In "② Rotating view", watch the commutator and brushes and wait for the coil to pass the vertical position (wires straight above and below the axle). Observe how the ● and × wires and the commutator colors (red/blue) swap before and after that moment.
3. 「電池の向きを反転」にチェックを入れ、下の表示（rpmと回転の向き）が変わるのを見る。次に「磁石のN/Sを反転」にもチェックを入れ、さらに「電池の向きを反転」のチェックを外して、それぞれ回転の向きを記録する。Check "Reverse battery" and watch the readout (rpm and direction) change. Then also check "Swap magnet N/S", and finally uncheck "Reverse battery". Record the direction of rotation each time.
4. チェックをすべて外し、「電流の強さ」を0.5 A、1.5 A、3.0 Aと変えてrpmを読む。次に「電流の強さ」を1.5 Aにもどし、「磁界の強さ」を×0.5と×2.0にしてrpmを読む。Uncheck everything. Set Current to 0.5 A, 1.5 A and 3.0 A and read the rpm. Then return Current to 1.5 A and set Magnetic field to ×0.5 and ×2.0 and read the rpm.
5. 「電流の強さ」を0 Aにして、力の矢印と回転がどうなるかを観察する。Set Current to 0 A and watch what happens to the force arrows and the rotation.

3確かめようCheck

1. 「① 断面ビュー」で、N極側（左側）にある導線とS極側（右側）にある導線には、それぞれどちら向きの力がはたらいているか。In "① Cross section", which way is the force on the wire on the N-pole side (left) and on the wire on the S-pole side (right)?→ 最初の設定では、左側の導線は●（電流が手前へ）で力は上向き、右側の導線は×（電流が奥へ）で力は下向き。2本の力は逆向きなので、コイルは時計回りに回る。磁界は左のN極から右のS極へ向かっている。With the default settings, the left wire is ● (current out of the page) and is pushed up; the right wire is × (current into the page) and is pushed down. The two forces are opposite, so the coil turns clockwise. The field points from N on the left to S on the right.
2. コイルが縦向きを通りすぎると、導線の電流と力の向きはどうなるか。What happens to the current and force on each wire as the coil passes the vertical position?→ 縦向きの瞬間はブラシが整流子のすき間にあり、導線が灰色になって電流も力も0になるが、コイルは勢いで通りすぎる。通りすぎると整流子とブラシの接触が入れ替わり、左側に来た導線が●、右側に来た導線が×になる。そのため力は再び左が上・右が下となり、同じ時計回りに回り続ける。At the vertical position the brushes sit on the gap of the commutator; the wires turn gray and there is no current or force, but the coil coasts through. After that the brush contacts swap, so whichever wire is now on the left becomes ● and the one on the right becomes ×. The forces are again up on the left and down on the right, so the coil keeps turning clockwise.
3. 「電池の向きを反転」「磁石のN/Sを反転」の組み合わせで、回転の向きはどう変わったか。How did the direction of rotation change for each combination of "Reverse battery" and "Swap magnet N/S"?→ どちらもチェックなし：時計回り。電池だけ反転：反時計回り。磁石だけ反転：反時計回り。両方反転：時計回り（元と同じ）。電流か磁界の一方だけを逆にすると回転が逆になり、両方逆にすると元にもどる。Neither checked: clockwise. Battery only: counterclockwise. Magnet only: counterclockwise. Both: clockwise (same as the start). Reversing either the current or the field alone reverses the rotation; reversing both leaves it unchanged.
4. 電流の強さや磁界の強さを変えると、回転の速さ（rpm）はどうなったか。電流を0 Aにするとどうなったか。How did the rotation speed (rpm) change with the current and the field strength? What happened at 0 A?→ 電流を大きくしても、磁界を強くしても速く回った（およそ1.5 A・×1.0で約40 rpm、3.0 Aや×2.0で約70 rpm、×0.5で約20 rpm。表示は回転中に少しゆれる）。0 Aでは力の矢印が消えて「電流0 → 力は0」と表示され、コイルはだんだん遅くなって数秒で止まった。Increasing either the current or the field made it turn faster (about 40 rpm at 1.5 A and ×1.0, about 70 rpm at 3.0 A or ×2.0, about 20 rpm at ×0.5; the reading wobbles a little as it turns). At 0 A the force arrows disappear, "Current 0 → no force" is shown, and the coil slows down and stops within a few seconds.

4考えようThink further

1. 整流子がない（電流の向きがいつも同じ）モーターでは、コイルはどのように動くと考えられるか。How would the coil move in a motor without a commutator (current always in the same direction)?→ コイルが縦向きを過ぎると、左右に移った導線の力が逆にコイルを引きもどす向きになる。そのため連続して回らず、縦向きの位置の付近で行ったり来たりしてやがて止まる。整流子が半回転ごとに電流を逆にするからこそ、回転力がいつも同じ向きになる。Once the coil passed vertical, the forces on the wires (now on the opposite sides) would pull it back. It would rock back and forth around the vertical position and settle there instead of turning continuously. Only because the commutator reverses the current every half turn does the turning effect always act the same way.
2. 力の矢印の大きさはコイルの角度によらず同じなのに、コイルが縦向きに近いときには回転にあまり役立たない。それはなぜか。The force arrows have the same size at any coil angle, yet near the vertical position they do little to turn the coil. Why?→ 力はいつも上下方向にはたらく。コイルが水平に近いときは、力が回転の円に沿う向きになって回す効果が大きい。縦向きに近いときは力が軸の方向（上下）を押すだけになり、回す効果が小さくなるからである。The forces always act up and down. When the coil is near horizontal, they point along the circle of rotation and turn it strongly. Near vertical they mostly push along the line toward or away from the axle, so their turning effect is small.

よくある誤解Common misconceptions

• 「電池と磁石を両方とも逆にすれば、回転も逆になる」と考えがちだが、電流と磁界を両方逆にすると力の向きは元にもどり、回転の向きは変わらない。Students often think reversing both the battery and the magnet reverses the motor. In fact, reversing both the current and the field restores the original force direction, so the rotation does not change.
• 「モーターの中のコイルには、いつも同じ向きの電流が流れている」と考えがちだが、整流子のはたらきでコイルの電流は半回転ごとに逆向きになっている（電池から流れ出る電流の向きは変わらない）。Students often think the current in a motor coil always flows the same way. The commutator actually reverses the current in the coil every half turn, even though the current from the battery keeps the same direction.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)