単極発電機について
基本的な発見や知性の偉大な業績が、考える人の想像力を衰えさせることなく保持するのは、その特徴である。ファラデーが磁石の両極の間を回転する円盤を使った印象的な実験は、素晴らしい実を結んで、とっくに日常的な経験になっています。しかし、この現在の発電機や電動機の胎動には、今日でさえ私たちにとって印象的で、最も注意深い研究に値する特徴があります。

たとえば、鉄やその他の金属の円盤が磁石の対極の間を回転し、極面が円盤の両面を完全に覆っている場合を考え、円盤の外周のすべての点から一様に接触して電流を取り出したり、伝えたりすると仮定しよう。まず、電動機の場合を考えてみよう。通常の電動機では、動作は電機子に作用する磁気引力の結果の移動または変化に依存しており、このプロセスは、電動機上の何らかの機械的装置または適切な特性の電流の作用によって行われる。このような電動機の動作は、水車の動作と同じように説明することができる。しかし、上の例のように円盤が完全に極表面に囲まれている場合、磁気作用の移動はなく、私たちの知る限り何の変化もないが、回転は起こるのである。この場合、通常の考察は通用せず、通常の電動機ーのような表面的な説明もできず、関係する力の本質を認識し、目に見えない連結機構の謎を解明して初めて、その動作が明らかになるのである。

発電機として考えても、円盤は同様に興味深い研究対象である。整流装置を用いずに一方向の電流を流すという特殊性に加え、電機子と界磁の間に反作用がないという点で通常の発電機とは異なる。電機子電流は界磁電流と直角に磁化しようとするが、電流は外周のすべての点から一様に取り出され、さらに外部回路も界磁磁石に対して完全に対称に配置されるため、反作用は起こり得ないのである。しかし、これは磁石の通電が弱い場合に限られ、多少飽和すると直角の両磁化は互いに干渉し合うように見える。

以上のことから、このような機械の出力は、同じ重量であれば、電機子電流が界磁を消磁する傾向のある他のどの機械よりもはるかに大きくなるはずである。フォーブス社の単極発電機の驚異的な出力と筆者の経験がこの考えを裏付けている。

このような機械が自己励磁しやすいのは、電機子反作用がないことに加えて、電流が滑らかで自己誘導がないためと思われます。

極が円盤の両面を完全に覆っていなければ、当然ながら円盤を適切に分割しない限り、機械は非常に非効率的である。この場合にも、注目すべき点がある。円盤を回転させて界磁電流を遮断しても、電機子電流は流れ続け、界磁磁石の強度は比較的ゆっくり低下する。この理由は、円盤に流れる電流の向きを考えるとすぐにわかる。

【図1】を参照すると、dは円盤、軸と外周の摺動接点B B'、NとSは磁石の2極を表しています。

磁極Nが図に示すように上方にあり、円盤が紙の平面上にあり、矢印Dの方向に回転しているとすると、円盤に生じた電流は矢印Aで示すように中心から周辺に流れることになる。このため、電流は外部回路Fを完全に通過するのではなく、円盤自体を閉じることになり、一般に、図示のような配置であれば、回路Fが円盤の不活性部分によって実質的に短絡されているため、発生する電流の大部分は外部に現れない。後者に生じる電流の方向は点線と矢印m、nで示すとおりとし、通電界電流の方向は矢印a b c dで示す。図を見ると、渦電流の2つの枝の一方、すなわちA B' m Bは界磁を消磁する傾向があり、もう一方の枝、すなわちA B' n Bは逆の効果を持つことがわかる。したがって、磁場に近づいているA B' m Bは磁力線に反発し、磁場から離れるA B' n Bは磁力線を自身に集めます。

この結果、経路AB' m Bには電流の流れを減少させる一定の傾向があり、一方、経路A B' n Bにはそのような反対は存在せず、後者の枝または経路の効果は前者の効果より多かれ少なかれ優勢になる。想定される両分岐電流の共同効果は、磁場に通電する電流と同じ方向の1つの電流の効果で表すことができるかもしれません。つまり、円盤を循環する渦電流が界磁に通電することになる。一次導体と二次導体が誘導関係にあるとき、電機子電流は界磁電流に逆らうと考えるのが普通ですが、この場合、電流に2つの経路があり、後者はその流れに最も逆らわない経路を選択するという特異な性質から来るものであることを忘れてはなりません。このことから、円盤を流れる渦電流は部分的に界磁に通電し、このため界磁電流が遮断されても円盤の電流は流れ続け、界磁は比較的緩やかにその強度を失い、円盤の回転が続く限り一定の強度を保つことさえあることが分かる。

【図2】【図3】

この結果はもちろん、渦電流の経路の抵抗と幾何学的寸法、および回転速度に大きく依存します。これらの要素はすなわち、この電流の遅れと磁場に対する位置を決定します。つまり、渦電流は磁場を弱める効果があるのだ。この反応は、円盤の軸と同心の軸上に自由に移動できる磁場N S、N' S'を配置することによって、実験的に最もよく実証される。このトルクは、ある点までは回転速度とともに増加し、次に減少し、ゼロを通過して最後には負になり、すなわち、界磁は円盤と反対方向に回転し始める。位相の異なる電流で界磁を変化させる交流電動機ーの実験では、このような興味深い結果が得られた。界磁の回転速度が非常に低い場合、電動機ーは直径12インチのプーリーで測定して900ポンド以上のトルクを示した。極の回転速度を上げると、トルクは減少し、ついにはゼロになり、負になり、電機子が界磁と反対方向に回転し始める。本題に戻るが、円盤の回転によって発生する渦電流が界磁を強化するような条件を仮定し、円盤の回転速度を上げながら、渦電流を徐々に除去するとする。一旦始まった電流は、それ自体を維持し、さらに強さを増すのに十分であるとすると、ウィリアム・トムソン卿の「電流蓄積器」のようなケースが考えられる。

しかし、以上のことから、実験の成功には、分割されていない円盤を使用することが不可欠であると思われる。なぜなら、半径方向に分割されていると、渦電流が形成されず、自励振動が停止してしまうからである。半径方向に細分化された円盤を使用する場合は、スポークを導電性のリムで接続するか、あるいは適切な方法で接続して、閉回路の対称系を形成する必要があります。

渦電流の作用は、あらゆる構造の機械の励磁に利用することができる。例えば、図2と図3には、円盤アーマチュアを持つ機械を励磁するための配置が示されています。磁石は内部と外部の2つのフィールドを形成し、円盤は軸に近いフィールドで回転し、コイルはそこから離れたフィールドにある。適切な条件下では、このような方法で機械が励磁される可能性は疑いなく、その主張を正当化する十分な実験的証拠もあるが、このような励磁方法は無駄である。

しかし、図1に示すような単極発電機や電動機は、電流を流す円盤や円筒を適切に分割するだけで、効率的に励磁することができ、通常採用される界磁コイルをなくすことも可能である。そのような計画を図4に示す。円盤または円筒Dは、その両側を完全に覆う磁石の2つの極NとSの間を回転するように配置されていると仮定し、円盤と極の輪郭をそれぞれ円dとd'で表し、わかりやすくするために上極は省略した。

【図解図4】【図解図5】

磁石のコアは中空で、円盤の軸Cはその中を通過しているものとします。無銘の極が下にあり、円盤をネジ式に回転させると、電流は前と同様に中心から外周に流れ、軸と外周にそれぞれ適切な摺動接点B B'で取り出すことができる。この配置では、円盤と外部回路を流れる電流は、界磁磁石に大きな影響を与えることはない。

しかし、ここで円盤が、満線または点線で示したように、螺旋状に細分化されているとしよう。図4. 軸上の点と外周上の点との間の電位差は、符号も量も変わりません。唯一の違いは、円盤の抵抗が増大し、同じ電流が外部回路を横断しているときに、シャフト上の点から外周上の点への電位の低下が大きくなることである。しかし、電流は細分化された線に従わざるを得ないので、フィールドを通電または非通電にする傾向があり、これは他の条件が同じなら、細分化された線の方向に依存することが分かります。図4で細線が示すように、電流の方向が前と同じであれば、つまり中心から外周に向かってであれば、その効果は界磁を強くすることであることは明らかである。前者の場合、円盤を矢印Dの方向に回転させると、機械はそれ自体を励起することができるようになる。しかし、このような円盤を2枚組み合わせ、図示したように、2枚の円盤を反対側のフィールドで、同じ方向または反対方向に回転させることができる。

もちろん、円盤の代わりにシリンダーを回転させるタイプの機械でも、同様の処方を行うことができる。このような単極機では、示した方法で、通常の界磁コイルと磁極を省略し、円筒のみ、あるいは金属鋳物で包まれた2枚の円盤からなる機械にすることも可能である。

図4のように円盤や円筒を螺旋状に分割するのではなく、図5のように円盤と外周のコンタクトリングの間に1ターン以上挟むとより効果的である。

例えば、フォーブス発電機は、このような方法で励磁することができる。筆者の経験では、通常のように摺動接点によって2枚の円盤から電流を取り出す代わりに、柔軟な導電性ベルトを使用すると有利であることがわかっている。この場合、円盤には大きなフランジがあり、非常に大きな接触面を与える。ベルトは、その膨張を吸収するために、バネの圧力でフランジを叩くようにする必要がある。筆者は2年前にベルト接触式の機械をいくつか製作し、満足に動作していたが、時間がなくてこの方面の作業は一時中断している。以上のようないくつかの特徴は、筆者もいくつかのタイプの交流電動機に関連して使用している。

脚注 

ニコラ・テスラ
ニューヨーク・タイムズ