電気 | にしきの部屋

なぜコンセントは交流なの？

nisiki — Thu, 05 Dec 2019 22:39:42 +0000

中学２年、電流単元最後に交流の学習をしました。そこでの質問です。なぜコンセントは交流なの？

電池がなぜ直流なのか、と聞かれたら、「詳しくは３年で学習するけど、２種類の金属板のうちどちらからどちらへ電子が移動するか決まっているから」と答えたでしょう。
しかしコンセント（というか発電所から家まで）はなぜ？、と聞かれた場合は、その仕組み・原理というよりも、むしろなぜ「交流」で送電しているのかを聞いているのかと考えました。

交流が直流よりも優れている点として、トランス（変圧器）を用いて電圧の変換が容易だということがあります。送電するときには、電圧が高い方が途中でロスするエネルギーが少なくなります。そこで最初は数十万Vという高い電圧で送り、電線では6600Vまで下げ、電柱についている灰色のトランスで家庭用の200V・100Vまで下げているのです。

さらに歴史的な話までしはじめれば、送電が直流か交流かの電流戦争の話になります。

今回の生徒には、とりいそぎ「交流の方が電圧の変換が簡単で、コンセントには交流が使われている」と答えました。

詳しくは「家庭用のコンセントはなぜ直流ではなく交流なの？」によくまとまっています。

静電気を予防するにはどうしたら？

nisiki — Mon, 14 Oct 2019 22:42:00 +0000

静電気の授業後の質問。毎冬、バチッと痛い思いをしてきた生徒から。
靴や衣服が擦れて静電気が起きているのでは、だから静電気を起こしにくい素材のモノを身につければいいと思うよ、と返答。

でももっとよい返答があった気もする・・・。

静電気、＋は移動しないの？

nisiki — Mon, 14 Oct 2019 22:39:44 +0000

「異なる物質をこすり合わせると、－の粒が移動して静電気が発生する」と教科書に説明されている。元々物質は＋と－を同量持っていて「電気を帯びていない」ところから話が始まっているのだが、ではこすって＋は移動しないの？　という疑問。指導要領どおりにいけば、中学３年で原子の構造を習うと、その疑問が解決する。

全ての物質は、原子から構成されている。静電気を起こす物質も同様である。原子はその構造から、中心部分には＋の電気を帯びた陽子と電気的に中性な中性子から成る原子核がある。そしてその外側に、ーの電気を帯びた電子が存在している状態である。外側にあるため、こするなどのきっかけでも電子は他の所へ移動することができる。

それに対し、原子核の陽子と中性子は、核力と呼ばれるとても強い力で結びついていて、簡単に離れることはない。＋の粒同士は反発する力を持っているが、それでも1つの原子核としてまとまることができるのは、この核力のためである。そして核力で結びついた＋の電気の陽子は動かない。

検流計の記号は、なぜ「G」？

nisiki — Mon, 14 Oct 2019 10:58:00 +0000

『電流計はA、電圧計はVで、なぜ検流計はGなのですか？』

そもそも検流計は、微量の電流を検出する計器で、ある意味電流計の一種です。電気火花で死んだカエルの足がけいれんする現象を発見したガルバーニの名前にちなみ、ガルバノメーターともいいます。そしてガルバーニの頭文字の「G」が使われています。

電圧は、電子の速さ？

nisiki — Fri, 11 Oct 2019 07:45:11 +0000

「電圧は、電流を流そうとする勢い。水の流れでいうと、高さにあたるもの」と説明したところ、『では電圧とは、電子の速さですか？』との質問が。

調べて見ると、下記がわかりやすかった。
https://eman-physics.net/circuit/voltage.html

　・電圧とは、静電場では電位差とほぼ同じ
　・電磁誘導や電池のようによって生じるエネルギーを起電力と呼ぶ
　・どちらも含めて「電圧」と呼んでいる
と、いうことか（誤解がある可能性あり）。

中学生に説明するとしたら、「電圧は、電流を流そうとする圧力のようなものと考えてもよい。ただ、水の流れで説明するのにも限界があるので、あまり水の流れにこだわっても意味がない（速さとかイメージしても、本当は違う）」ということでいいのかな。（是非ともご意見下さい！）

なぜ鉄心を入れると磁力が強くなるの？

nisiki — Thu, 17 Oct 2019 22:30:56 +0000

「小学校で電磁石をつくったよね～」という話から。中学校の電流と磁界の単元では、電磁石に鉄心を入れて磁力が強くなる実験は出てこない。でも小学校理科でやっているので、多くの生徒は覚えている。そこで出た質問。

鉄心を入れると、磁力線の密度が高くなり、磁力が強くなる。磁力線についてはこの単元で学習するので、それなりに納得したようだ。

電磁石（コイル）に鉄心を入れると、なぜ磁力が強くなるの？

nisiki — Thu, 30 Jan 2020 19:34:04 +0000

中学校では、なぜコイルが電磁石になるのかを学習します。ここでは鉄心を入れることや鉄などがくっつくことは教科書では扱っていませんが、小学校の事を思い出して出てきた質問。「鉄釘などを入れるとなぜ、磁力が強くなったの？」

磁力線の学習は既に終わっていますので、それを使って説明してみました。磁力線の本数が多い（密度が高い）ほど磁力は強くなります。空気に比べ、鉄の方が磁力線が通りやすい性質があります。そうすると、広く散らばってしまっていた磁力線が鉄に集中し、磁力線の密度が高くなり、磁力も強くなります。大ざっぱな言い方になりますが、中学生に向けてそのように説明しました。

ライデン瓶は雷電瓶？

nisiki — Sun, 17 Jul 2022 00:01:25 +0000

電気の学習中に生徒から出た質問です。
「雷の実験で出てきた”ライデン瓶”、”雷電”だからライデン瓶なのですか？」

ベンジャミン・フランクリンの雷の実験は有名ですね。
https://www.franklinjapan.jp/raiburari/topics/others/208/
その中で、雷のエネルギーを溜めるのにライデン瓶を用いました。その”ライデン瓶”の語源として、「らいでん」という音（おん）から、「雷電瓶」と考えたようです。私もそのように思っていた時期がありました。

調べて見ると、ライデン瓶は1700年代中ごろにオランダのライデン大学でつくられたようです。そのため”ライデン瓶”と名付けられたようです。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A9%E3%82%A4%E3%83%87%E3%83%B3%E7%93%B6
https://kotobank.jp/word/%E3%83%A9%E3%82%A4%E3%83%87%E3%83%B3%E7%93%B6-146750
そのため、ライデン瓶はカタカナで”ライデン瓶”と書くのですね。

電圧×電流＝電力、ではないの？

nisiki — Mon, 23 Jan 2023 23:44:14 +0000

中学2年、電流単元。電熱線の発熱などを元に、「電力（W)＝電圧（V)×電流（A)」と学習します。

ところが上の写真のファンをみると、５０Hzでは電流3.62Aなのに電力が316Wになっています。100V電源での使用時に、なぜ362W（又は電流が3．16A）にならないのか、という質問です。

そこで調べてみました。
確かに電熱線や照明などは100％抵抗のために消費電力＝電圧×電流A になります。

しかしモータ－などの機器ではエネルギーの損失が生じ、実際に働いた電力（有効電力）は電圧と電流の積（皮相電力）より小さくなります。この比率を力率と呼び、力率cosΘ＝有効電力［kW］÷皮相電力［kVA］の関係となるそうです。

科学の世界での理論と、工学の世界での実際の違いを感じました。

2.5V球と3.8V球の豆電球を並列につないで、なぜ同じ電圧になるの？

nisiki — Thu, 15 Dec 2022 22:47:15 +0000

中学２年、電流単元。生徒にとって好き嫌いがきっぱり分かれる印象があります。
電流や電圧と回路の関係を調べる実験で、豆電球の2.5V球と3.8V球を使って直列、並列回路を作って実験をし、電圧の決まりを学んだあとでの質問です。「なぜ2つ違う電圧の豆電球なのに、並列だと同じ電圧になるのですか？」

これは、実際に加えた電圧の話と、何Vで用いるとよいかの表示の話が混同されてしまったのが原因でした。そこでこのように説明をしました。『何V球というのは、その電圧で最適化されて光るようになっている目安の話です。実際に何Vの電圧が加わったかは、その時々の条件によって変わります』

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