電気材料の種類と特性 ミニテスト【第2回】

正解：（3）鉄損（ヒステリシス損と渦電流損）を小さくできるため
けい素鋼は、鉄にけい素を数%混ぜた鋼です。日本機械学会の事典は、電気抵抗と透磁率が大きい、と説明しています。抵抗が大きいと、鉄心の中を回る渦電流が小さくなり、渦電流損が減ります。透磁率が大きく保磁力の小さい材料は、ヒステリシス損も小さくてすみます。
（1）逆です。けい素を混ぜると抵抗率が上がり、導電率は下がります。導電率の高さを使うのは、巻線の銅です。（2）永久磁石には、保磁力の大きい材料を使います。鉄心はその反対です。（4）耐える温度の高さで選ぶのは、絶縁材料です。（5）けい素（シリコン）は半導体の材料にもなりますが、けい素鋼板は金属で、半導体ではありません。
けい素は、増やすと鋼板が硬くもろくなるので、約3%までにとどめてきました（第1回の第4問の（3））。板を薄くして重ねる理由は、第3回の第4問です。

正解：（2）周波数の2乗に比例する
鉄損は2つに分かれます（電気学会の用語解説）。
・ヒステリシス損：周波数に比例
・渦電流損：周波数・最大磁束密度・板の厚さの、それぞれ2乗に比例。材料の導電率にも比例
（1）ヒステリシス損のほうの性質です。（3）周波数が上がると磁束の変化が速くなり、渦電流は増えます。（5）逆です。厚さの2乗に比例するので、薄い板ほど小さくなります。
（4）は、条件が違うときの答えです。電圧を一定にして周波数だけを上げると、磁束密度は周波数に反比例して下がります。周波数と磁束密度の積が変わらないので、渦電流損はほぼ変わりません。問題文の「最大磁束密度が同じとき」は、この場合と分けるための条件です。
磁束密度が同じまま50 Hz を60 Hz にすると、渦電流損は1.2×1.2＝1.44倍、ヒステリシス損は1.2倍です。測った鉄損を2つに分ける計算は解説記事の計算例3、式の形は電磁誘導とインダクタンスにあります。

正解：（2）抵抗率が高く、高温でも酸化しにくいため
JIS C 2520 の電熱用ニッケルクロム1種は、体積抵抗率が1.08 μΩ·m です。標準軟銅（0.017241 μΩ·m）の約63倍なので、短い線でも大きな抵抗になります。同じ規格は、耐酸化性がよく、発熱体の表面で約1,100 ℃ まで使える、としています。
（1）導電率が最も高い金属は銀です。発熱体には、反対に抵抗率の高い材料を使います。（3）抵抗器用のニッケルクロムには、温度係数の小さい種類があります（JIS C 2532 の108種）。ただ、これは値を変えたくない抵抗器で役に立つ性質で、発熱体に使う理由ではありません。（4）熱電対にも使える銅ニッケル（コンスタンタン）の性質です。（5）鉄心の材料に求める性質です。同じ108種は非磁性です。
温度係数も熱起電力も小さい合金は、銅マンガン（マンガニン）です（第3回の第5問）。3つの合金の使い分けは、解説記事の「抵抗材料は合金でつくる」にあります。

正解：（3）軟磁性材料は保磁力が小さく、磁化の向きを変えやすい
2つを分けるのは保磁力です。残った磁気を0に戻すのに要る、逆向きの磁界の強さをいいます。
・軟磁性材料：保磁力が小さい。透磁率が大きい。鉄心に使う（電磁鋼板、ソフトフェライト、アモルファス）
・硬磁性材料：保磁力が大きい。逆向きの磁界を受けても、磁気が消えにくい。永久磁石に使う（アルニコ、フェライト磁石、ネオジム磁石）
（1）保磁力の大きさも使いみちも、硬磁性材料の説明になっています。（2）鉄心に使うのは軟磁性材料で、透磁率が大きいのもそちらです。（4）保磁力が小さいのは軟磁性材料です。（5）鉄心は磁化の向きがたえず入れかわり、磁石は磁気をずっと保ちます。求める性質は反対です。
保磁力が小さい材料ほど鉄損も小さいことは、第1回の第4問の（1）で確かめました。ヒステリシスの輪の読み方は、解説記事の「磁性材料は2種類ある」にあります。

正解：（3）リン（P）
シリコンの価電子（いちばん外側の電子）は4個です。価電子が5個のリンを少し加えると、結合に入れない電子が1個ずつ余り、結晶の中を動けるようになります。電子が多数キャリアの n形です。ヒ素やアンチモンでも同じです。
（1）（2）（4）（5）は、4つとも価電子が3個の元素です。結合の電子が1個足りず、その抜けたところが正孔になります。できるのは、正孔が多数キャリアの p形です。
n は negative（負）、p は positive（正）の頭文字で、多数キャリアのもつ電気の符号を表します。結晶そのものが負や正に帯電するわけではありません（第1回の第5問の（2））。p形のキャリアは第3回の第3問、元素の一覧は半導体と電子回路にあります。「n型」「p型」と書いてあっても、同じものです。