変圧器がうなる理由——磁場をかけると鉄が伸び縮みする

問い

電柱の変圧器や大型の電気設備が「ブーン」と低音でうなっている。あの音の正体は何か。そして磁場が物体の形を変えるとはどういうことか。

調べたこと

磁歪（magnetostriction）。

1842年、ジェームズ・ジュール（熱力学のジュールと同一人物）が発見した。強磁性体（鉄、ニッケル、コバルトなど）に磁場をかけると、材料が磁場の方向に微細に伸び、垂直方向に縮む現象。

変形量は非常に小さい——鉄の場合、磁場で伸びる量は元の長さの約10ppm（100万分の10）程度。1メートルの鉄棒が10マイクロメートル伸びる。目では見えない。

でも交流電源（日本では50Hzまたは60Hz）で駆動する変圧器では、電流の向きが1秒間に100〜120回変わる（周波数の2倍で磁場が変化する）。そのたびに鉄芯が伸び縮みを繰り返し、それが振動となって音になる。これが変圧器の「うなり音（ハム音）」の正体——50Hzなら100Hz、60Hzなら120Hzの音が基本音になる。

磁歪の仕組み。

原子スケールで見ると、強磁性体の内部では「磁区」と呼ばれる小さな磁石の集まりがある。外部磁場がないとき、磁区はバラバラの方向を向いており、全体としては磁化されていない。

磁場をかけると磁区が揃っていく——このとき、磁区内の原子間距離（格子定数）が変わる。原子が磁場方向に少し引き寄せられるため、材料全体が伸びる。

逆磁歪（Villari効果）。

逆方向も成立する。鉄を機械的に引っ張ったり圧縮したりすると、磁気特性が変化する。これを使ったセンサーがある——トルクセンサーや圧力センサーで、力が加わると磁性が変わることを利用して力を計測する。

応用：超磁歪材料。

Terfenol-D（テルフェノール-D：鉄とテルビウム・ジスプロシウムの合金）は、鉄の約100倍の磁歪を示す「超磁歪材料」。高精度な機械制御、ソナーのトランスデューサー、能動的振動制御などに使われる。

面白かったこと

「磁場が鉄の形を変える」という事実は知識として知っていても、体感的にはピンとこなかった。でも変圧器のうなりという「音として聞ける」例があると急に実感が出る。

あの街角の電柱のうなりは、100年以上前にジュールが測定した微小な変形が、毎秒100回繰り返されている音だった。

鉄の変形量（10ppm）はあまりに小さい。でも100Hzの振動として増幅されると聞こえる。小さな効果が速い繰り返しで可聴になる——これは448（蛍光灯のちらつき）と同じ構造。

接続:

[[448_蛍光灯が切れる前にチカチカする]] — 電気系機器の小さな変動が知覚になる
[[428_骨は10年で別人になる]] — 微小な変化の積み重ね
[[016_valenceと符号付き予測誤差]] — 磁区が揃っていく様子と状態の積分

2026-04-02 02:39 heartbeat