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JEMAの理科教育支援活動 Q&A集

先生方より寄せられた実験での疑問や、新たな実験器具(コンデンサーなど)についてのQ&A、
JEMAの理科教育支援活動に関するQ&Aを紹介しています。

Q&A集 目次

発電・変換

蓄電

発熱

電気の利用

電気 共通

その他

Q&A集

発電・変換

Q. 101. 手回し発電機を回しても発光ダイオード(LED)が点灯しないのですがなぜですか?
A. 101. きちんとつないでいるはずなのにLEDが光らないという場合、以下に該当していることが考えられます。
  • 極性が逆(プラスとマイナスを逆につないでいる)
    手回し発電機とLEDには極性があり、(+)と(-)を逆につなぐと電流が流れず、LEDは光りません。また手回し発電機は回す方向やコネクタの挿し方で、極性が変わりますので、手回し発電機とLEDの極性を確認してください。
  • 接触不良やリード線が断線している
    ソケットへのLEDの差し込み(ねじ込み)が緩んでいることや、リード線が被覆の中で断線していることが考えられます。
Q. 102. 手回し発電機の出力電圧はどのようにしたら確認できますか?
A. 102. 手回し発電機はメーカーやタイプにより出力電圧が異なりますので、取扱説明書などでご確認ください。
ただし、速く回した場合には仕様電圧よりも高い電圧が発生しますので、組み合わせるコンデンサーや豆電球などの耐電圧には余裕を見てください。 手回し発電機の出力電圧がわからない場合、手回し発電機に電池2個(3V)を直列につなぎハンドルの回転数で判定することもできます。
  • 3V出力の手回し発電機は1秒間に3回程度回転
  • 12V出力の手回し発電機は1秒間に1回程度回転
Q. 103. 手回し発電機に色々なものをつないだとき、回す力が重かったり軽かったりするのはなぜですか?
A. 103. 手回し発電機は、回す人の力(エネルギー)を電気のエネルギーに変換する道具です。したがって、手回し発電機で大きな電気エネルギーを出すためには大きな力が必要となるわけです。
豆電球とLEDとを比較すると、豆電球のほうが重いのは豆電球のほうが大きな電流が流れるので大きなエネルギーを必要とするからです。
Q. 104. なぜ発光ダイオード(LED)は光るのですか?
A. 104. LEDは、2種類の半導体(電気を通したり通さなかったりする物質)を重ねた構造をしています。この2種類の半導体間に電流を流すと2種類の半導体の接合面が発光する性質があり、これを利用して光を取り出しています。
詳しくはLED照明推進協議会のウェブサイトや各メーカーのウェブサイトなどをご参照ください。

蓄電

Q. 201. 手回し発電機とコンデンサーと発光ダイオード(LED)をつなぎ手回し発電機でLEDを光らせる実験で、
手回し発電機を止めるより先に手回し発電機のリード線をはずさないと、LEDがすぐ消えてしまうのはなぜですか?
A. 201. コンデンサーに電気が蓄えられた状態で手回し発電機とリード線をつないだままだと、コンデンサーから発電機に電流が逆流してしまいます。LEDに流れる電流よりも発電機に流れる電流がかなり大きいため、コンデンサーにためられた電気はすぐになくなりLEDはすぐ消えてしまいます。
Q. 202. 手回し発電機でコンデンサーに蓄電するとき、手回し発電機は、同じ回数であれば、速く回しても良いでしょうか?
A. 202. 手回し発電機は回す速さによって出力電圧が変わり、速く回すほど高い電圧が発生します。そのため速く回すことで同じ回数でもコンデンサーに蓄えられる電気の量が多くなります。メトロノームとできるだけピッチを合わせて回転させてください。各回数の実験で、同じ人ができるだけ同じように回転させ、条件をそろえることが、ばらつきを少なくするために重要です。
Q. 203. 蓄電したコンデンサーでLED豆電球の代わりに豆電球(白熱電球)を点灯させることはできませんか?
A. 203. 豆電球を点灯させるためにはLED豆電球よりもたくさんの電気が必要となります。JEMAが推奨している手回し発電機とコンデンサーの組み合わせでは豆電球を一定時間点灯させるだけの電気を蓄えることが難しいのでLED豆電球を使用しています。
Q. 204. コンデンサーは電気製品にたくさん使われているとのことですがどんな役割をしているのですか?
A. 204. コンデンサーには電気を蓄える機能のほかにも、電気の流れを整える機能や電気信号をより分ける機能などたくさんの機能を持っています。 洗濯機・冷蔵庫・電子レンジ・エアコンなどの家電製品や、テレビ・パソコン・携帯電話・デジタルカメラなどの電子機器のなかでたくさん使用されています。
Q. 205. コンデンサーの“F”は、なんですか?
A. 205. “F”は、「ファラド」といいます。“F”、「ファラド」は、コンデンサーの静電容量(電気容量)をあらわす単位で、数字の大きいコンデンサーの方がたくさんの電気を蓄えることができます。
Q. 206. コンデンサーに蓄えられる電気の量(静電容量)は何で決まりますか?
A. 206. コンデンサーの基本は、電気を通す薄い2枚の膜(電極)の間に、電気を通さない膜をサンドイッチした構造です。 コンデンサーに蓄えられる電気の量は、電気を通す膜(電極)の面積と2枚の電気を通す膜間(電極と電極の間)の距離などで決まります。膜の面積が広いほど、また、2枚の電極間の距離が小さいほど、蓄えられる電気の量が大きくなります。
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Q. 207. コンデンサーと充電式電池とは何が違うのですか?
A. 207. コンデンサーと充電式電池とでは、電気のため方が違います。コンデンサーでは、化学変化が起こりませんが、充電式電池では、電池の中で化学変化が起こることによって電気を蓄えています。
コンデンサーが比較的速く電気をため、速く取り出すことができるのに対し、充電式電池は、電気をためるために時間がかかりますが、長い時間たくさんの電気を取り出せるところが特徴です。
携帯電話やデジタルカメラなどでのバッテリーは充電式電池です。
Q. 208. コンデンサーのプラスとマイナスを逆につないでも電気は蓄えられますか?
A. 208. プラスとマイナスを逆につなぐことは、保証されていない使い方ですので、プラスとマイナスを正しくつないでください。また、逆につなぐと、コンデンサーの寿命が短くなる場合があります。
Q. 209. コンデンサーの放電方法について、教科書等では直接短絡(ショート)する方法を示していますが、やはり豆電球で放電すべきなのですか?
A. 209. コンデンサーは、基本的には電源と同じ概念のもので、直接短絡すると大きな電流が流れるので避けるべきです。乾電池を短絡することをしないのと同じです。但し、JEMAプログラムで使用しているコンデンサーについては、電圧は低く、微弱な電気しかたまっていませんので、教科書に記載されているやり方でも大電流が流れることはなく問題にはなりませんが、他のコンデンサーも含めて一般的に、直接短絡することはお勧めできません。
Q. 210. コンデンサーはどのくらい使えますか?
A. 210. コンデンサーは過電圧での使用を避け、高温高湿な環境を避けて使用・保管していれば、一般的な電気製品と同等の寿命を有しており、毎年買い換える必要はありません。
ただし、コンデンサーが膨らんでいたり液もれしている場合は、破損していますので使用しないでください。
Q. 211. 蓄電の実験で使用するコンデンサーの容量はどの様に選定すれば良いですか?
A. 211. コンデンサーの選定基準は、「価格」「入手のしやすさ」と「限られた授業時間の中で、適切な実験結果が得られること」です。JEMAでは、予備実験を行い、実験で最小限必要な電気容量や作業性も考慮して、耐電圧5.5V(ボルト)、静電容量(電気容量)1.5F(ファラド)を選定しています。授業でお使いになるLEDの仕様(定格)や手回し発電機の仕様(定格出力)などでも点灯時間が変化しますので、予備実験によりご確認ください。
Q. 212. コンデンサーに耐電圧を超える電圧をかけるとコンデンサーは壊れますか?
A. 212. コンデンサーを過電圧で使用すると、使用環境や条件によっては中の液が漏れたり高温の蒸気が発生したりして破損する恐れがあります。また、このような破損が発生しなくてもコンデンサーの寿命が短くなる可能性がありますので、過電圧をかけることは避けてください。
特に、100Vのコンセントにつなぐなど、耐電圧をはるかに超えた非常に高い電圧がかかると破裂して危険ですので、絶対にしないでください。
Q. 213. コンデンサーをケースに入れているのはなぜですか?
A. 213. ケースに入れなくても実験はできますが、コンデンサーの端子にクリップつきリード線をつなぐ時に2つの端子間が短絡してしまったり、コンデンサーの端子が折れ曲がったりすることを防止するためにケースに入れ、はんだ付けしたリード線を引き出しています。
Q. 214. コンデンサーに極性があるのはなぜですか?
A. 214. Q&A:206のコンデンサーの原理図上では極性はありませんが、コンデンサーを構成する材料と構造によっては極性を持つコンデンサーがあります。
例えば、電気製品に多く使われているアルミ電解コンデンサーでは、正極にアルミ箔・電気を通さない膜にアルミ箔表面に生成した酸化皮膜・負極に電解液を用いた構造です。この酸化膜は、逆極性では電気を通す性質を持っておりコンデンサーとしての機能を失います。その結果、電解液の電気分解が発生しコンデンサーが劣化し破損に至ります。従って、アルミ電解コンデンサーでは正しい極性で使用するように極性を指定しています。

発熱

Q. 301. 発熱実験の直列つなぎで、電熱線(ニクロム線)の細いものと太いものの接続順序を逆にしても結果が変わりませんか?
A. 301. 結果は変わりません。
直列つなぎでは電流の通り道は一本道なので、接続順序を入れ変えても流れる電流の大きさは変わらず、発熱結果は接続順序に影響を受けません。
Q. 302. 電熱線(ニクロム線)の温度は何度ぐらいになるのですか?
A. 302. JEMAの実験結果では概ね100℃以下でした。
電熱線(ニクロム線)は高温になりますので、実験中はさわらないようにしてください。
Q. 303. コイル状に巻かれた100V用のニクロム線(例えば100W、300W、500Wなど)が一般に入手できますが、発熱実験に利用できますか?
A. 303.  コイル状のニクロム線を伸ばして使うことはできます。
この場合、使用するニクロム線の太さと長さに注意が必要で、ティーチャーズガイド(TG)で推奨の「線径0.23mm、線径0.40mmを各10cm」を目安に選定ください。 一例として、100V-100W:線径0.23mm 100V-300W:線径0.45mm が市販されています。このニクロム線はTG推奨の線径とほぼ等しいので、各10cmで実験できると思われます。
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Q. 304. 電熱線(ニクロム線)の用途にはどのような製品がありますか?
A. 304. ドライヤー、コタツ、電熱器等です。意外なところでは、冷蔵庫にも、わずかな量ですが庫内装置の凍結防止などで使われています。
Q. 305. ニクロム線の名前の由来は何ですか?
A. 305. 金属の「ニッケル」、「クロム」を混ぜて線を作っており、この頭文字を繋げて「ニクロム線」と称しています。
Q. 306. 発熱の実験では「新品の単一アルカリ乾電池」が推奨されていますがその理由を教えてください。また、推奨品以外の乾電池(例えばマンガン乾電池)を使用した場合の影響はどうなりますか?
A. 306. 発熱の実験では、電熱線(ニクロム線)を発熱させるために大きな電流を流す必要があり、このような用途に適した単一アルカリ乾電池を推奨しています。 推奨品以外の電池では、この"大きな電流を流す能力"が推奨品と比較して低い場合がありますので、発熱の実験で予期した結果が得られない可能性があります。 推奨品以外の乾電池で授業を行う場合には入念な予備実験が不可欠です。
Q. 307. 発熱実験の並列つなぎと直列つなぎで乾電池の数を変えるのはなぜですか?
A. 307. 直列つなぎを乾電池1個でおこなうと十分な発熱が得られない場合があり、確実な実験をおこなうために乾電池の数を2個にしています。 乾電池2個を直列につなぐと、電流を流す力が2倍になり十分な発熱が得られます。
Q. 308. 電熱線(ニクロム線)の太さにより発熱量に違いがでる理由は何ですか?
A. 308. 発熱量は、電熱線(ニクロム線)の電流の流れにくさ(抵抗)と電流の大きさによって決まります。
  • 電熱線(ニクロム線)の並列つなぎの場合は、電熱線が太いほうが電流が流れやすくなり、電流がより多く流れるため、発熱量が大きくなります。
  • 電熱線(ニクロム線)の直列つなぎの場合は、一本道なので同じ電流が流れます。電熱線が細いほうが電流が流れにくいため、おしくらまんじゅう状態で発熱量が大きくなります。
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   より詳しい説明は下図を参照ください。
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Q. 309. 並列つなぎの発熱実験で、予期した結果が得られませんでした。
考えられる要因はなんでしょうか?
A. 309. 並列つなぎの発熱実験では、比較する電熱線(ニクロム線)以外の電流の流れにくさ(抵抗)をできるだけ小さくしたり揃える必要があります。
図を参考にして配線を再確認ください。特に、リード線のクリップは、木ねじに巻きつけている電熱線(ニクロム線)にしっかり食い込むように挟んでください。

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電気の利用

Q. 401. なぜ発光ダイオード(LED)は省エネなのですか?
A. 401. 白熱電球はフィラメントを熱することで光ります。そのため、発光させるために投入した電気エネルギーの多くが熱(赤外線)となって放射されます。
一方、LEDでは可視光(人が見える光)のみで、赤外線を出していません。発光させるために投入した電気エネルギーが効率よく目に見える光に変わっているので余分な電気を消費しません。
実際に光っている豆電球とLED電球を触って頂くと熱さの違いが分かると思います。この差が消費電力の差です。
Q. 402. 冷蔵庫の省エネのポイントはなんですか?
A. 402. 冷蔵庫の省エネの技術には、「冷却技術」、「断熱技術」、「制御技術」の3つの技術分野があります。「冷却技術」では、コンプレッサーやモーターの効率アップなどがあります。「断熱技術」では、冷蔵庫に使われている断熱材の性能アップによって、熱を逃がしにくくする技術が格段に進化しました。また、インバーター「制御技術」による冷却運転の最適化などもあり、これら技術の集大成で大幅な省エネを実現しています。

電気 共通

Q. 501. 使用後の乾電池の保管方法など、乾電池を扱う時の注意事項はありますか?
A. 501. 開封後の乾電池は(+)極と(-)極とが金属などと接触しないようにして、直射日光、高温多湿の場所を避けて保管してください。
詳しくは社団法人電池工業会のウェブサイトや各メーカーのウェブサイトなどをご参照ください。
Q. 502. 配線をする際にリード線の色は合わせる必要がありますか?
A. 502. 実験上問題はありませんが、説明や確認をするためには揃えた方が分かりやすいかと思います。
特に極性のある部品(手回し発電機、LED豆電球、コンデンサー、乾電池など)は、配線ミスを防止するために(+)極側を赤いリード線で、(-)極側を黒いリード線で配線することをお勧めします。
Q. 503. 実験に使用する部品(LED豆電球、コンデンサー、サーモテープなど)はどこで入手できますか?
A. 503. 教材販売会社やインターネット等でも入手可能です。
Q. 504. 豆電球の定格とはどのような意味でしょうか?
A. 504. 定格とは、機器や部品の指定された条件における仕様、性能、使用限度などのことです。
一般的な豆電球の場合、使用できる電圧と電流が口金の部分に「2.5V-0.3A」などと刻印されており、2.5Vの電圧をかけると0.3Aの電流が流れることを示しています。
Q. 505. どうして磁石に鉄がつくのですか? 鉄以外でつくものは何ですか?
A. 505. 鉄は、原子そのものが永久磁石になっている数少ない物質の一つです。しかし、鉄原子の向きがバラバラであるため、鉄全体としては磁力が打ち消されており永久磁石とはなっていません。 ここで、鉄に磁石を近づけると、永久磁石である鉄原子は外部の磁石に対して敏感に反応し、鉄原子は一斉に外部の磁界と同じ方向に磁極を向けます。その結果、鉄全体が磁石になります。ここで、外部の磁石を取り去ると、鉄原子の向きは再びバラバラとなり、鉄は磁石ではなくなります。
つまり、鉄が磁石につくのは、磁石が発生した磁力により、鉄が磁石になっているためです。例えば、鉄製のクリップに磁石を近づけると、クリップは磁石となって磁石にくっつきます。また、磁石にくっついたクリップはそれ自体が磁石に変化するので、他のクリップを引き付けるのです。
鉄の他には、コバルトやニッケルなども原子が永久磁石になっている物質で、磁石により容易に磁化されて磁石の性質を有する様になり、磁石に引き付けられます。アルミニウムなどにはこの性質はありません。
なお、永久磁石では、鉄原子が簡単に磁極の向きを変えないような工夫(ネオジムなどとの合金化)がなされており、外部から磁界をかけて鉄原子の向きを揃えると、外部磁界を取り除いても元のバラバラな向きに戻らずに"永久"に磁石になります。
詳しくは日本磁気学会のウェブサイトなどをご参照ください。
Q. 506. 電磁石は電気を必要としますが、永久磁石は電気を使わないので省エネでは?
A. 506. 電磁石も磁石のためにはエネルギーを消費しません。消費しているのは電流が流れる導体の持つ抵抗で、電流が流れると発熱して消費されます。超電導(抵抗がゼロ)電磁石は、磁石として置いてあるだけの状態では電気エネルギーを消費しません。
永久磁石は潜在的に沢山のエネルギーを持っていますが、そのままでエネルギーを放出することはありません。鉄片を近付けるとエネルギーを放出して鉄片を引き寄せます。しかし人が鉄片を引き剥がす時には放出したエネルギーを再び蓄積するので、一方的に減ってしまうこともありません。
電磁石も同様で、熱としての消費を除けば、鉄片を引き付けるために電気エネルギーを使用しますが、鉄片を離すときに同量の電気エネルギーを発生するので収支はゼロです。 電磁石は、強さや方向を制御することができることが大きな特徴で、多種多様な応用製品が我々の生活の中で大活躍しています。
Q. 507. 永久磁石の開発の歴史の中で日本の貢献度合いは大きかったのでしょうか?
A. 507. 本多光太郎によるKS鋼の発見や、日本の研究者によるMK磁石・アルニコ磁石・フェライト磁石・ネオジム磁石などの開発がおこなわれ、産業・工業の進歩発展に多大な貢献を果たしています。
詳しくは日本電気技術者協会のウェブサイトなどをご参照ください。
Q. 508. 地球はなぜ磁石なのですか?
A. 508. 地球の磁気のことを地磁気といい、主に地球内部に流れる電流に起因すると考えられていますが、今でも完全には解明されていません。
詳しくは気象庁地磁気観測所ホームページなどをご参照ください。

その他

Q. 601. 理科教育セミナーで使用した実験キットの貸し出しはできますか。
A. 601. 実験器具の貸し出しは予定しておりませんが、購入方法、作成方法については、アドバイスさせていただきます。
Q. 602. ゲストティーチャーとして出前授業などは可能ですか。
A. 602. JEMAとしては、先生方をサポートしていくことを基本としていますので、出前授業の実施は予定しておりません。
Q. 603. 電気分野以外の内容も扱ってもらえますか。
A. 603. JEMAは、業種の性質上電気分野でのサポートをさせていただいております。
Q. 604. 実践授業についての具体的な紹介をしてもらえますか。
A. 604. 随時、今後授業を行った学校のレポートのWeb公開を予定しています。

その他のご質問は、以下へお問い合わせください。

一般社団法人 日本電機工業会 理科教育支援ワーキンググループ(技術部内)
TEL :03-3556-5884

mail:rika@jema-net.or.jp