2D静磁界シミュレータ(MagCat)#
ブラウザ上で動作する2D静磁界シミュレータです。
利用規約にご理解頂き、下記のボタンから起動してください。
(はじめての方は、下のサンプルデザインから開いていただくと良いかと思います。)
サンプルデザイン#
クリックすると、デザインが開きます。
(新規ウインドウで開くことを推奨)
デザインの共有
本ツールは「共有リンク」ボタンにより、デザインを埋め込んだURLを発行できるようになっています。 面白いデザインを作ったら、ぜひSNSなどで共有してください。 このサンプルデザインのリンクもこの機能を利用しています。
2D静磁界シミュレータで遊ぼう#
初めて磁界シミュレータを触る人のための、磁界と仲良くなるガイド。
1. 静磁界シミュレータMagCatの起動#
このページ上部のボタンから、シミュレータを起動します。別ウインドウで開いておくと良いでしょう。
2. グリッド/セルの設定#
現実のモデルを考えない場合には基本的にはそのままで良いですが、グリッドを160x120程度にしておくと画面が広くなり遊びやすくなります。
現実の寸法を考慮する場合、セルサイズが1グリッドあたりの寸法となります。標準は0.5mmです。
なお、本ツールは二次元なので、奥行は無限に続いているものとされます。
3. +電流の配置#
左側「描画ツール」の「描画モード」を「電流」にします。
何でも良いですが、「+10A」のボタンをクリックして、電流値を10Aに設定します。
画面右側のキャンパス上のどこでもよいので、一度左クリックし電流を配置します。
電流は、極性により「\( \odot \)」と「\( \otimes \)」のように表示されます。(今回は磁束線の表示が重なり見にくいです。) 「\( \odot \)」は、画面奥から手前に向かって流れる電流を示し、「\( \otimes \)」は画面手前から奥に向かって流れる電流を示します。
今回電流をひとつ配置したことで、磁束線が電流を囲むように表示されました。 これは中学校で習ったように、電流が流れるとその周りに磁界が発生する様子が計算されたものです。本来電流を中心に正円になりますが、シミュレーション境界(キャンパス端)の影響で縦横にすこしつぶれています。
注意点として、表示されている等高線は小学校の実験で見た、砂鉄と永久磁石がつくる「磁力線」ではなく、「磁束線(flux)」です。 発生する磁束(単位はWb(ウェーバー))をもとに、等しい磁束の場所を線で結んだものです。 本ツールでは標準では最小/最大の磁束を20本の等高線になるようにオートレンジで補完表示されます。
4. -電流の配置#
今度は先ほど配置したのと反対の極性で同じ強さの、「-10A」のボタンをクリックして、電流値を-10Aに設定します。 先ほど配置した+10Aの電流の右側あたりで、一度左クリックし、-10Aの電流を配置します。
電流の向きが異なるので、発生する磁界の向きが異なり、交わらない磁束線が表示されます。 (標準で磁束線の数は20本をオートレンジで表示しています。21本にすると左右対称で見やすくなります)
「\( \odot \)」と「\( \otimes \)」の電流の間は、磁束線が集中している(密になっている)ことがわかります。 これは、その空間の磁界が大きいことを示します。 「表示モード」を「物体」から「磁束密度」にすると空間磁界の大きさが分かりやすくなります。
なお、現在+の電流と-の電流が配置されていますが、これは画面と垂直方向に巻かれた1ターンのコイルとして見ることができます。 ±10Aの電流が1組配置されたので、1ターンのコイルに10Aが流れている様子となります。
重要な事項として、コイルが作る磁界はNI積(Nは巻き数、Iは電流)やAT(アンペアターン)と呼ばれるように、巻き数と電流値の積で決まります。 現実の100mAを400ターン巻きコイルを考える場合、400ターン分の電流を配置しなくても、100mA×400T=40ATなので、40Aの±電流を1つずつ配置すれば同じことになります。 コイルの位置が重要な場合は、10Aの電流を4セット置くなどの工夫を行います。
5. 磁性体の配置#
左側「描画ツール」の「描画モード」を「物体」にします。
何でも良いですが、「Iron(5000)」のボタンをクリックして、比透磁率を5000に設定します。
「四角」ツールをクリックして、「\( \odot \)」と「\( \otimes \)」の電流の間に磁性体を配置してみましょう。
これにより、電流(コイル)により発生した磁束が、配置した鉄(磁性体)を集中して通る様子がよくわかります。これが磁性体の性質です。
小学校の電磁石の実験で、鉄心があるほうが磁力が強くなりました。この理由が、本ツールで直観的に分かります。
なお、磁界のシミュレーションでは、空間や物体を比透磁率(\( \mu_r \))で指定します。初期状態は空間は1で塗りつぶされています。 真空も空気もほとんど変わりませんので同一視して良いです。鉄やフェライト、パーマロイ材、あるいはご自身で調べた材料の比透磁率を設定してさまざまな物体を配置してみてください。