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理科

6年「発電と電気の利用」 電流による発熱

6年 埼玉県鶴ヶ島市立長久保小学校 理科支援員 橋口 政昭

1.はじめに

電流による発熱については,小学校学習指導要領解説(理科編)(4)電気の利用 ウ に「電熱線の発熱は,その太さによって変わること」とある。
その内容については,「電熱線に電流を流すと発熱するが,電熱線の長さを一定にして,電熱線の太さを変えると発熱する程度が変わることをとらえるようにする」とある。
教科書にある「電流による発熱」の実験では,細い電熱線の方が太い電熱線より発泡ポリスチレンが速く切れるという逆転現象が起こることがある。
その原因がどこにあるのか,どんな条件で実験をすれば児童が納得するような結果が得られるのか,色々と条件を変えて実験を試たので,その結果を報告する。
教科書の実験では発泡ポリスチレンを使っているが,適当な大きさ・厚さのものが手に入りづらいこともある。
そこで切断する材料として,殆どの学校にある給食用のストローを主に使用し,実験を実施した。
この報告の中で,特に断りのない場合,電熱線の長さは6㎝,切断した材料は給食用のストローである。
また,表の中の数字はすべてストローや発泡ポリスチレンが切れるまでの時間(秒)である。
本校では,電源装置に連続可変ボリューム式(シマズES-5N S.55年購入,写真1)を使っているが,この実験では電熱線にかかる電圧や流れる電流が大きく影響するので,他校の電源装置,乾電池(新しいもの,多少消耗しているもの),充電池(エネループ)を使っての実験も試みた。

2.実験1

電源装置 連続可変ボリューム式(シマズES-5N S.55年購入)を使用(写真1)


写真1


写真2

太さ 平均
0.2㎜ 36.0 34.0 34.0     34.7
0.4㎜ 5.0 5.0 5.0     5.0

* 上手にストローを乗せないとストローが静電気で手にくっつき斜めになることがある。
給食用のストローを実験に使用する場合,電熱線とストローの接地面の関係から実験データにばらつきが生じやすいので,ストローを指で軽く潰し楕円形にしてから電熱線に乗せ,3〜5回の平均を取らせるようにすると良い。
また,ストローを切る長さは3㎝程度に統一する。

3.実験2

前記の条件で,電熱線の上にストローを乗せてから電源装置のスイッチを入れ実験した。

太さ 平均
0.2㎜ 39.0 37.0 35.0     37.0
0.4㎜ 10.0 10.0 11.0     10.3

◎ ストローを乗せてから電源装置のスイッチを入れた方が電熱線による火傷の心配がない。

◎ 電熱線2本(0.2㎜と0.4㎜)を並列につなぐと,電熱線にかかる電圧は同じになるが,
0.2㎜の電熱線に流れる電流が0.5A〜0.7Aになるように電圧を調整しないと実験が上手く行かない。
電熱線の長さが10㎝の場合,何回か実験してみたが電流は0.6Aが最適である。

4.実験3

電源装置 連続可変ボリューム式(シマズES-5N S.55年購入)を使用

太さ 平均
0.2㎜ 5.0 5.0 5.2 5.0 5.4 5.1
0.4㎜ 6.0 6.2 6.0 6.2 5.4 6.0

◎ 電圧を6Vにすると0.2㎜の電熱線に流れる電流が1.1Aとなり,流れる電流が大きすぎるため
ストローが切れる時間に逆転現象が生じる。

5.実験4

乾電池(多少消耗している)を電源として使用

(1) 乾電池2個を直列につなぎ使用(写真3)

  • 電熱線の長さ7㎝  (ストローを使用)
  • 0.2㎜の電熱線では2.75Vの電圧が2.1Vに低下し,電流は0.7A。
  • 0.4㎜の電熱線では2.75Vの電圧が1.5Vに低下し,電流は1.5A。
  • ストローを電熱線の上に乗せてから回路に電流を流した。


写真3

太さ 平均
0.2㎜ 32.0 40.0 32.0 26.0 31.0 32.2
0.4㎜ 17.0 23.0 20.0 17.0 16.0 18.6

(2)長さ6㎝の電熱線で実験(ストローを使用)  (実験7を参照)

太さ 平均
0.2㎜ 17.0 19.0 17.2 17.2 19.8 18.0
0.4㎜ 18.8 18.6 18.0 17.0 19.0 18.3

◎ 電熱線の長さが6㎝では,差が殆ど見られない。

(3)乾電池3個を直列につなぎ実験(ストローを使用)

太さ 平均
0.2㎜ 9.2 10.0 9.0 10.0 10.2 9.7
0.4㎜ 18.2 19.8 19.5 23.6 21.0 20.4

◎ 乾電池3個,長さ6㎝の電熱線では, 逆転現象が生じる。

6.実験5

電源装置(Nakamura児童用電源装置PS-50N,平成元年購入)を使用(写真4)

  • 電熱線の長さは6㎝
  • 電源装置の端子を右からA,B,C,Dとする。
  • 電圧 4V(A〜Bを使用) 
  • 0.2㎜の電熱線には0.85Aの電流が流れ,電圧が2.2Vに低下した。
  • 0.4㎜の電熱線には1.8Aの電流が流れ,電圧が1.2Vに低下した。


写真4

太さ 平均
0.2㎜ 15.4 12.5 13.2 14.5 15.7 14.3
0.4㎜ 23.6 20.6 22.3 23.7 24.4 22.9

◎ 回路に電流を流した時,電圧の低下が生じ,回路にかかる電圧が同じでないため逆転減少が起こる。このときの電力を計算すると0.2㎜が1.87W,0.4㎜が2.16Wであった。
また,0.4㎜の電熱線に電流を流し続けると,電源装置のブレーカーが作動する。

◎ 電圧を3.4V(B〜Dを使用)にすると,0.4㎜の電熱線に流れる電流が1.2A,電圧が0.9Vに低下し,5分経ってもストローが切れなかった。

7.実験6

電源装置(Nakamura児童用電源装置PS-50N,平成元年購入)を使用

(1) 電熱線の長さ6㎝,電圧を4V(A〜Bを使用)にして,太さによるストローの切れる時間を調べた。

太さ 平均
0.1㎜ 39.2 38.2 39.0 44.9 35.6 39.4
0.2㎜ 15.4 12.5 13.2 14.5 15.7 14.3
0.3㎜ 14.4 13.6 15.2 13.3 14.5 14.2
0.4㎜ 23.6 20.6 22.3 23.7 24.4 22.9

◎ 0.4㎜の電熱線と0.2㎜及び0.3㎜の電熱線では,細い電熱線の方が速く切れるというが逆転現象が生じている。

* 電熱線にかかる電圧と流れる電流から,その時の抵抗値は計算できるが個々の電熱線の抵抗値は厳密に測定していない。

8.実験7

乾電池(新しいもの)2個を直列につなぎ使用

(1) 電熱線の長さ6㎝,電圧3.0Vで太さによるストローの切れる時間を調べた。

太さ 平均
0.1㎜ 44.7 40.5 48.8 49.7 51.0 46.9
0.2㎜ 20.0 18.9 18.9 21.8 20.7 20.1
0.3㎜ 16.2 16.3 16.0 15.1 16.0 15.9
0.4㎜ 22.5 23.6 21.7 22.8 22.1 22.5

◎ 実験6及び実験7の結果は表の通りであった。実験5では電力の差が大きく影響していると考えていたがこのデータからは電力との明確な関係は見出せない。

◎ 0.1㎜と0.2㎜及び0.3㎜の電熱線では,結果の差は明らかだが,0.1㎜と0.2㎜の電熱線の太さによる違いが見た目で分かりにくいので,ここでは0.1㎜と0.3㎜の太さの電熱線を使用する方が良いという結論に至った。

9.実験8

電源装置(Nakamura児童用電源装置PS-50N,平成元年購入)を使用

(1)電圧4V(A〜Bを使用)で実験

太さ 平均
0.1㎜ 46.0 36.0 52.0 37.0 46.0 43.4
0.3㎜ 13.0 13.0 13.0 12.0 14.0 13.0

◎ この実験結果は,実験6の結果と多少の差がある。同じ6㎝で実験器具を作製したつもりでも電熱線の抵抗値を測定すると少し差が生じていたので,それも影響していると思われる。

◎ 実験6及び実験8の結果から,電源装置Nakamura児童用を使用する場合の電圧は4V(A〜B),電熱線は0.1㎜と0.3 ㎜を使用し電熱線の長さは6㎝が最適である。

10.実験9

乾電池2個(多少消耗している)を直列につなぎ,電熱線に15秒程度電流を流してから実験した。

(1)長さ6㎝の電熱線で実験

(2) 長さ5㎝の電熱線で実験

太さ 平均
0.1㎜ 30.0 28.2 29.2 36.2 35.0 31.7
0.3㎜ 10.4 14.8 13.0 14.4 13.0 13.1

(3) 長さ4㎝の電熱線で実験

太さ 平均
0.1㎜ 13.2 15.2 13.0 13.2 14.0 13.7
0.3㎜ 5.0 7.0 6.5 6.8 7.8 6.6

11.実験10

乾電池(多少消耗している)3個を直列につないで実験(写真5)

*実験4(3)と比較(0.2㎜の電熱線と0.4㎜の電熱線を使用),
実験7と比較(電圧3V)

  • 4V(本来は4.5Vである)
  • 電熱線の長さは6㎝
  • 0.1㎜の電熱線  4Vが3.5Vに低下し,電流は0.38A (1.33W)
  • 0.3㎜の電熱線  4Vが2.3Vに低下し,電流は1.6A  (3.68W)


写真5

(1)電熱線に15秒程度電流をながしてからストローを乗せた。

太さ 平均
0.1㎜ 20.2 19.0 15.0 16.2 13.2 16.7
0.3㎜ 11.8 10.2 11.0 10.5 9.4 10.6

(2)電熱線にストローを乗せてから電源装置のスイッチを入れた。

太さ 平均
0.1㎜ 24.2 24.0 18.8 20.0 19.2 21.2
0.3㎜ 9.2 11.0 12.0 12.2 10.8 11.0

◎ 実験(1)と(2)を比較してみるとさほど違いが見られない。

12.実験11

乾電池(多少消耗している)2個(直列),発砲ポリスチレン(スーパーで刺身等を乗せているもの)を幅2㎝,長さ15㎝に切ったもの)を使用(写真6)

(1) 長さ4㎝の電熱線で実験(発砲ポリスチレンを使用)

  • 0.1㎜の電熱線  2.8Vが2.4Vに低下し,電流は0.32A (0.77W)
  • 0.3㎜の電熱線  2.8Vが1.6Vに低下し,電流は1.6A  (2.6W)

◎ 両方の電熱線(0.1㎜と0.3㎜)とも3〜5秒で切れ,比較するのが難しい。

(2) 長さ4㎝の電熱線で実験(ストローを使用)

  • 0.1㎜の電熱線  2.8Vが2.4Vに低下し,電流は0.32A (0.77W)
  • 0.3㎜の電熱線  2.8Vが1.6Vに低下し,電流は1.6A  (2.6W)


写真6

太さ 平均
0.1㎜ 19.2 27.5 16.0 15.0 23.0 20.1
0.3㎜ 8.4 9.8 9.0 9.4 9.0 9.1

(3)長さ5㎝の電熱線で実験(発砲ポリスチレンを使用)

太さ 平均
0.1㎜ 7.0 8.2 8.0 6.0 9.8 7.8
0.3㎜ 6.0 8.0 7.0 9.5 7.8 7.7

◎ 長さが5㎝だと速く切れ,殆ど差がない。

(4)長さ5㎝の電熱線で実験(ストローを使用)

太さ 平均
0.1㎜ 23.2 24.8 26.3 24.8 25.6 24.9
0.3㎜ 9.0 9.9 9.2 9.3 9.1 9.3

◎ 乾電池2個を直列につなぎ,0.1㎜と0.3㎜の電熱線で,長さが5㎝の電熱線を使う場合,切断材料はストローの方が良い。

(5)長さ6㎝で0.2㎜と0.4㎜の電熱線を使って実験(ストローを使用)

太さ 平均
0.2㎜ 17.0 19.0 17.2 17.2 19.8 18.0
0.4㎜ 18.8 18.6 18.0 17.0 19.0 18.3

◎ 殆ど差が見られない。0.2㎜の電熱線に0.8A以上の電流が流れるとかなりの高温になり,この実験には適さない。

13.実験12

電源装置(ウチダTM-4S)を使用(平成25年購入)(写真7)(写真8)

◎ 電圧を測定すると3Vのレンジで2.96V,4.5Vのレンジで4.2V,6Vのレンジで5.5Vであった。それぞれのレンジを使って回路に電流を流しても電圧の低下は見られなかった。


写真7


写真8

(1)3Vのレンジを使用し,長さ6㎝の電熱線で実験(ストローを使用)(写真8)

太さ 平均
0.1㎜ 72.5 85.7 51.3 40.3 54.0 60.8
0.3㎜ 8.8 9.2 8.8 8.5 8.6 8.8

(2)4.5Vのレンジを使用し,6㎝の長さの電熱線で実験(ストローを使用)

太さ 平均
0.1㎜ 7.9 8.9 7.4 6.9 8.6 7.9
0.3㎜ 4.0 4.6 3.8 3.5 3.6 3.9

14.実験13

充電池(エネループ)を使って実験(写真9)

◎ エネループ1個は充電しても1.2Vである。ここでは1個1.15Vのエネループを直列につなぎ実験した。

(1)2個のエネループを直列につなぎ実験した。

  • 0.1㎜の電熱線  2.3Vが2.1Vに低下し,電流は0.2A   (0.42W)
  • 0.3㎜の電熱線  2.3Vが1.8Vに低下し,電流は1.4A  (2.52W)

◎ 0.3㎜の電熱線では3回平均13.7秒で切れたが,0.1㎜の電熱線では3分経過しても切れなかった。因に,0.2㎜の電熱線で実験したところ平均16.6秒(3回平均)で切れた。

(2)3個のエネループを直列につなぎ実験

  • 0.1㎜  3.45Vが2.7Vに低下し,電流は0.3A   (0.81W)
  • 0.3㎜  3.45Vが1.8Vに低下し,電流は1.4A  (2.52W)


写真9

太さ 平均
0.1㎜ 19.9 25.4 35.5 28.3 17.1 25.2
0.3㎜ 12.4 11.6 12.3 11.4 9.7 11.5

◎ エネループを使用する場合,3個を直列につなぐと良い結果が得られる。

15.実験14

電源装置 連続可変ボリューム式(シマズES-5N S.55年購入)を使用

◎ 学校によっては,電源装置の数がグループの数より少ない場合が考えられる。その場合,1つの電源装置に同じ太さの電熱線2本を並列につなぎ,2つの班が同時に実験できるようにする。

(1)同じ太さの電熱線2本を並列につなぎ,電圧4Vで実験

太さ 平均
0.1㎜ 15.0 18.2 16.0 18.0 17.2 16.9
0.3㎜ 13.2 13.0 13.0 17.0 17.2 14.7

(2)同じ太さの電熱線2本を並列につなぎ,電圧3.5Vで実験

太さ 平均
0.1㎜ 31.2 23.2 24.0 25.0 25.0 25.7
0.3㎜ 16.6 18.2 17.0 17.0 17.2 17.2

16.実験15

電源装置 連続可変ボリューム式(シマズES-5N S.55年購入)を使用

(1)電圧3V  電熱線の長さ6㎝

太さ 平均
0.1㎜ 31.8 37.0 37.2 38.2 39.6 36.8
0.3㎜ 10.0 9.8 9.2 9.5 9.2 9.5

(2)電圧3.5V  電熱線の長さ6㎝

太さ 平均
0.1㎜ 18.2 17.8 19.2 23.6 18.8 19.5
0.3㎜ 8.0 7.8 8.0 7.2 7.0 7.6

(3)電圧4V  電熱線の長さ6㎝

太さ 平均
0.1㎜ 8.8 8.8 9.5 8.8 9.0 9.0
0.3㎜ 5.8 6.0 6.5 6.0 5.5 6.0

◎ この実験から可変ボリューム式の電源装置を使う場合,電圧は3V〜3.5Vが最適である。

17.実験16

電源装置(Nakamura児童用PS-50N)を使用(写真10)

  • 電熱線の長さ6㎝
  • 発砲ポリスチレン(1×1.5㎝で長さ8㎝)を切ったものを使用

(1)電圧  1.7V(C〜Dを使用)

  • 電熱線は0.1㎜と0.3㎜を使用 両方とも切れない。

(2)電圧  3.4V(B〜D を使用)

  • 電熱線は0.1㎜と0.3㎜を使用 両方とも5〜6秒で切れ,殆ど差がない。

(3)電圧 4V(A〜Bを使用)

  • 電熱線は0.1㎜と0.3㎜を使用  両方とも速く切れ,殆ど差がない。

◎ この結果から電熱線の長さが6㎝で発砲ポリスチレンを使っての実験は上手く行かないことが分かった。

◎ 電源装置(Nakamura児童用PS-50N)を電源として使用し,ストローを使って実験する場合,電熱線の長さは6㎝,電熱線は0.1㎜と0.3㎜,電圧は4V(A〜B)が最適である。


写真10

18.おわりに

ここでは色々と条件を変えて実験を試みた。電源として何を使うか,電圧を何Vにするか,電熱線の長さを何㎝にするか,電熱線の太さは何㎜が適切か,切断する材料に何を使うか等々。
その結果,条件によっては切断材料が切れない,データに差が出ない,細い電熱線の方が先に切れる逆転現象が起こる等,問題が生じることが分かった。
同じ様な条件で実験しても電圧の低下や流れる電流が微妙に変わる(電熱線の抵抗値の違いや接触抵抗も関係していると思われる)ため実験データに多少の差がでる。特に,乾電池を電源に使用する場合,乾電池の消耗度によって,ストローの切れる時間に差が生じるので,新しい乾電池を使用した方が良い結果が得られる。
それぞれの学校で備品の整備状況に違いがあると思われる。 自校ではどのような組み合わせが適切か,判断の参考資料にして頂ければ幸いである。

◎ 参考

(写真11)
電熱線を張るのは釘でも良いが,できれば左側の長さ4〜5㎝のタッピングねじの方が作業がしやすいのでお薦めである(写真のネジの長さは50㎜)。
右側の木ねじは巻いた電熱線が滑り落ちてくる。(電熱線はハンダづけができない)
(写真12)
実験器具として班の数だけ作製したものである。板の大きさは9㎝×13㎝×1.5㎝で間隔は6㎝。電熱線は0.1㎜と0.3㎜を使用。但し,業者によっては細い電熱線が手に入らないこともあるので確認する必要がある。
1度作っておけば毎年使え,児童に市販の教材を買わせる必要もないので是非,作製して欲しいものである。


写真11


写真12