電子工作教材ちょこまカーの極意を伝授

発電機とポンプ・モーターと水車

 
下の図はすでに登場した水回路の図です。ポンプというのは軸を回転させると水の流れを発生させる機械ですね。回転運動を水流に変換する装置です。
 回路の反対側に付いているのは水車(タービン)です。これはポンプとは逆に水が流れると軸が回転する機械です。電気回路のモーターに対応しますので「水モーター」と書いてみました。

図:発電機とポンプ・モーターと水車

上の図にぴったり対応するのは発電機とモーターです。電源はもちろん電池でもいいのですが、電池にぴったり対応する水回路の方の装置が思いつきません。

図:モーターと発電機(電池でもいいけど)

ポンプと水車が似ているように発電機とモーターの構造もそっくりです。ほとんど同じものを逆の使い方をしていると言ってもいいです。その証拠に、模型用のモーターは発電機にもなります。

図:モーターで発電してみよう

※上図の実験をするときは次のことに注意しましょう。 発電した電力でモーターを回すためには、発電機の軸はかなり速く回す必要があります。もしモーターが3個あればもう1個のモーターで発電機役のモーターを回すのがいいと思います。 電気ドリルなどで回してもいいですが、けがをしないように気をつけてください。 LEDを点灯させる場合は逆にあまり速く回すとLEDが壊れます。光ることがわかったらそれ以上発電機の軸を速く回さない方がいいでしょう。 LEDに直列に100オーム程度の抵抗器を接続しておくと安心です。 またLEDには極性があるので、LEDが点灯しない時は逆方向に接続するか、軸を逆に回転させてみましょう。

電源は電圧源か、ポンプは水圧源か

結論を言ってしまうと、電源は電圧源(電流を流しても電圧が変わらない電源)と考えることにしましょう、ということです。しかし水回路を使って電気回路を理解しようとするとき、ポンプの性質をあまりリアルにイメージするとポンプは水圧を発生させるのか水流を発生させるのか?という疑問が出てくるだろうと思ってこの項目を作りました。
 ポンプは水が流れていないときには(ということは水の出口がふさがっているときには)水圧を発生するだけの装置です。その水圧は軸の回転速度で決まるある値です。逆に太い配管で入り口と出口をつなぐと、軸の回転速度で決まる流量の水が流れます。入り口と出口の間の水圧はほぼゼロになります。この場合は水を流すだけの装置です。

図:ポンプの2つの極端な使い方

つまり、ポンプは使い方で水圧発生装置にもなるし、水流(流量)発生装置にもなります。ポンプの流量と圧力の関係を表すグラフと、直流電源の電流と電圧の関係を表すグラフはよく似ています。

図:ポンプと直流電源の特性曲線

上図のグラフで電流が小さく電圧の低下があまり大きくない範囲で使う場合、直流電源は電圧源と考えて扱う方が便利です。 ポンプは上図のグラフの全部の領域(つまり流量ゼロから水圧ゼロまで)で使われることが多いので、そういう使い方をしても壊れないように作られているものが多いようですが、電源の場合は電圧ゼロで使うと壊れるもののほうが多いです。そういう意味でも源源は電圧源と見なせる範囲で使ういます。

電流源というものはあるのか

電流源というものもありますが電源として使われることはほとんどありません。

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