電気材料の種類と特性 ミニテスト【第3回】

正解：（3）絶縁と冷却
日本電気技術者協会の講座は、絶縁油のおもな役割を、機器の絶縁と冷却だとしています。巻線どうしや、巻線とタンクのあいだを絶縁し、鉄心と巻線で出た熱を運び出します。そのため、絶縁破壊電圧が高いことと、冷やす働きが大きいことが求められます。
（1）電流を流すのは巻線の銅です。油が電流を通したら、絶縁になりません。（2）磁束を通すのは鉄心です。（4）振動をおさえるために入れるものではありません。（5）磁気を遮る部品には、鉄とニッケルの合金のような磁性材料を使います。
油は、外気の酸素と水分が入ると傷みます。同じ講座によると、水分が30〜40 ppm を上回ったあたりから、絶縁破壊電圧は急に落ちます。そこで、絶縁破壊電圧、全酸価、水分、油に溶けたガスを調べて管理します（解説記事の「絶縁油」の節）。

正解：（3）抵抗率が高く、渦電流損が小さいため
ソフトフェライトは、鉄の酸化物をおもな成分にした焼き物で、軟磁性材料のなかまです。JFE スチールの技報によれば、金属でできた軟磁性材料と比べて比抵抗（抵抗率）が格段に高く、数 kHz〜数百 MHz の範囲でよい特性を示します。渦電流損は、周波数の2乗に比例し、材料の導電率にも比例します。周波数が高いところほど、抵抗率の高さが効きます。高周波の電源トランスや、ノイズフィルタのコアが使いみちです。
（1）逆です。ソフトフェライトの導電率は金属よりずっと低く、だから渦電流損が小さくなります。（2）（4）保磁力が大きくて永久磁石になるのは、フェライト磁石です。名前は似ていますが、別の材料です。コアに使うソフトフェライトは、保磁力の小さいほうです。（5）飽和磁束密度は、電磁鋼板などより低い材料です（材料メーカーの資料）。50 Hz や60 Hz の大きな鉄心は、電磁鋼板でつくります。
2つのフェライトは、解説記事の「アモルファスとフェライト」と「永久磁石の材料」で見比べられます。

正解：（2）正孔
シリコンに、価電子が3個のホウ素などを少し加えると、結合の電子が1個足りなくなります。この抜けたところが正孔（ホール）です。となりの電子が移ってくると、抜けたところが動いたことになり、正の電気が運ばれます。p形では、この正孔が多数キャリアです。
（1）電子は、p形では数の少ないほう（少数キャリア）です。多数キャリアになるのは n形です（第2回の第5問）。（3）結晶の中のイオンは動けません。日本電気技術者協会の講座によると、電子を受け取ったホウ素の原子は、陽イオンではなく負のイオンになります。（4）中性子は原子核の中の粒で、電気をもちません。（5）光子は光の粒で、電気を運びません。
正孔の正の電気と、動けないイオンの負の電気が、同じ数だけあります。結晶そのものは電気を帯びていません（第1回の第5問の（2））。p形と n形をつないだ pn 接合は、半導体と電子回路で扱っています。

正解：（2）渦電流損を減らすため
渦電流損は、板の厚さの2乗に比例します（電気学会の用語解説）。鉄心を薄い板に分け、板どうしを絶縁皮膜で仕切ると、渦電流は1枚の板の中でしか回れません。厚さを半分にすれば、渦電流損は約4分の1です。
（1）ヒステリシス損は、板の厚さでは変わりません。保磁力の小さい材料を選んで減らします。（3）銅損は、巻線の抵抗で出る損失です。鉄心の板とは関係がありません。（4）漏れ磁束は、一次と二次の巻線の片方しか通らない磁束です。板を重ねても減りません。（5）磁束密度は、電圧、周波数、巻数、鉄心の断面積で決まります。板を薄く分けても上がりません。
薄くして減るのは、鉄損のうち渦電流損の分だけです。解説記事の計算例3では、厚さ0.50 mm を0.35 mm にしても、鉄損は約12%しか下がりませんでした。けい素を混ぜる理由は第2回の第1問、厚さ0.35 mm を0.23 mm にしたときの計算は第1回の第4問の（5）です。

正解：（3）マンガニン
マンガニンは、銅・マンガン・ニッケルの合金です。JIS C 2522 は、温度係数と銅に対する熱起電力がどちらも小さい抵抗材、と定めています。AA級は、23 ℃ での温度係数（1 ℃ あたりの抵抗の変化）が100万分の8以内、熱起電力が2 μV/K 以下です。
（2）コンスタンタン（銅ニッケル）も、温度係数は小さい合金です。違うのは熱起電力で、JIS C 2532 の表の参考値では、49種が約41 μV/K で、熱電対にも使えます。銅とのつなぎ目に温度差があると、この電圧がそのまま測定の誤差になります。（1）おもに発熱体に使います（第2回の第3問）。抵抗器用の108種でも、同じ表で温度係数は100万分の50、熱起電力は5 μV/K です。（4）銅は、1 ℃ で約0.39%変わります（標準軟銅の値）。10 ℃ では約4%です。（5）ニッケルは、同じ表の9.6種で100万分の4,500です。温度係数の大きい抵抗材です。
純粋な金属の銅とニッケルは温度係数が大きく、3つの合金は小さい、という並びです。3つの合金の表は、解説記事の「抵抗材料は合金でつくる」にあります。