スイッチを押すと、電磁石が鉄片を引き寄せ、ハンマーが鐘をたたく。ここまでは説明できても、「そのまま吸い付いて止まらず、なぜ何度も鳴るのか」と聞かれると、続きを考える必要があります。電磁石式のベルでは、鉄片の動きが接点を開き、電流をいったん切る仕組みが入っています。
「電流を流すと磁石になる」だけでは、最初の一打までしか説明していません。引き寄せる、接点が離れる、戻る、また接点が触れる。この一周をたどることが、繰り返しの理由になります。電子音を出す別方式のチャイムではなく、ばねと接点を持つ電磁石式の模型を扱います。
鉄片の動きが、回路を変える
初めに接点が閉じていると、コイルを通る電流の道がつながります。電磁石が鉄片を引くと、鉄片につながるばねがたわみ、ハンマーが動きます。その動きによって接点も離れるように作られています。
接点が離れると回路が途切れ、電流が止まります。電磁石の引く力が弱まると、ばねの復元力で鉄片が戻ります。戻った位置で接点が再び触れると、また電流が流れます。スイッチを押している間、この変化を繰り返せるのです。
実物には調整や細かな遅れもありますが、本稿では、接点の開閉で電流が流れる・止まるを切り替えられる模型として考えます。鉄片を引き寄せるのは電磁石、離れた鉄片を元の位置へ戻すのは主にばね。この役割の違いを書いておきましょう。
電池の向きが、毎回逆になるわけではない
鉄片が往復していると、コイルのN極とS極も毎回入れ替わるように感じるかもしれません。しかし、この基本的な回路では、電池の向きは変わりません。電流は同じ向きに流れる状態と、流れない状態を繰り返します。
戻る動きを説明するために「次は同じ極になって反発する」と付け足す必要はありません。普通の鉄片を吸い寄せる動作と、電流が切れた後のばねの動作で、繰り返しを説明できます。永久磁石を使う別の装置の知識を、勝手に混ぜないようにします。
また、接点が「開く」は電流の道が切れることです。水道の栓を開くと流れる、という日常語の印象とは逆に感じるかもしれません。回路の言葉では、二つの金属が触れて閉じた道を作ると電流が流れます。図の隙間を実際に指でたどると、言葉だけの取り違えを減らせます。
例題1 接点を閉じたままにしたら
電磁石式ベルの模型で、鉄片が動いても接点が離れないようになってしまいました。電池やコイルは正常で、鉄片は電磁石に引き寄せられるものとします。このとき、ふつうと同じ繰り返しの音が出ると考えてよいでしょうか。
答え・解説： 同じ繰り返しにはなりません。接点が開かないため、電流を切ってばねで戻す段階へ進めないからです。模型では、鉄片が引き寄せられた位置にとどまり、最初に打った後の周期的な動きが続かないと考えられます。
「電流が長く流れるほど、何度も鳴る」とは限りません。繰り返すためには、流す時間だけでなく、止めて戻る段階も必要です。これは回路の動きを考える問題で、実物の接点を固定する実験の指示ではありません。通電を続けるとコイルや電池が熱くなる場合があります。
例題2 山が六つなら、五周期
ハンマーが鐘を打つ瞬間を記録した架空の波形があります。最初の打撃を0秒とし、その後0.02秒、0.04秒、0.06秒、0.08秒、0.10秒に打撃がありました。同じ動き一周ごとに一回打つものとして、一周期の時間と一秒当たりの打撃回数を求めなさい。
答え・解説： 打撃と次の打撃の間は0.02秒なので、一周期は0.02秒、一秒当たりは1÷0.02＝50回です。0秒から0.10秒までに打撃は六つありますが、その間隔は五つです。0.10÷6ではなく、0.10÷5で周期を求めます。
この回数を、そのまま聞こえる音の高さだと決めることはしません。ハンマーが鐘を打つ回数と、打たれた鐘自身が細かく振動する回数は、別の量です。今回の記録は打撃の間隔であって、鐘の振動の一周期を直接測ったものではありません。
状態を一枚ずつに分ける
装置全体の絵に、引く力と戻る力、つながった接点と離れた接点を全部重ねると、同時に起きることのように見えます。電流が流れる状態と、接点が離れている状態を二枚に分けて描くと、次の変化を読みやすくできます。
最後に、説明を最初の状態まで戻してみてください。「接点が離れた」で終わっていれば、もう一度鳴る理由が抜けています。「ばねが戻り、接点が閉じる」まで書けば、外から一回ずつスイッチを押し直さなくても繰り返せる理由がつながります。