2017年03月30日
  親子理科実験教室 Q&A  

 

  Q1  乾電池を何個つなげば豆電球は爆発するの?
  Q2  ニッケルやコバルトってなに?
  Q3  どうしてくぎは磁石になるの?
  Q4  磁気カードの他に、磁石はどんなところで使われているの?
  Q5  TAのお兄さんが作って持ってきてくれたモータはとてもよく動いていましたが、作り方を教えてください。
  Q6  スピーカーの原理がわかりません。なぜ音が鳴るのか教えてください。
  Q7  紙コップで作った糸電話の音は遠くまで伝わりますがどうしてですか?
  Q8 2015年度親子理科実験教室(夏休み集中コース第2弾)のグループディスカッションで配られたヒントカードをもう一度見せてほしいのですが。

  Q1 乾電池を何個つなげば豆電球は爆発するの?

  豆電球の爆発というのは、ピカッと明るく光ったあとすぐ明かりが消えてしまう現象のことでしょうか。

たくさんの乾電池をつないでも、恐らく音を上げて爆発したり粉々になったりしないと思います。私が実験してみたところ、乾電池5個を直列つなぎにして豆電球とつないだら、豆電球はピカッと光ってすぐに消えてしまいました。この仕組みについて考えてみましょう。
乾電池を直列につないだら、豆電球の明かりをつける電池の力(「電圧」と言います。)が大きくなることは実験教室で実験しました。
乾電池が1個のときよりも2個のときのほうが豆電球は明るく光ります。3個にするともっと明るく光ります。なので、5個にするととても明るく光るのは納得出来ると思います。

では何故明かりはすぐに消えてしまったのでしょうか。
これには、まず、豆電球のつくりを理解する必要があります。豆電球を見てみると、外側はガラスで出来ていて、その中にくるくる巻いた線があるのが分かると思います。
電流を流しているときに豆電球を観察してみてください。このくるくる巻いた線が光っているということが分かります。この線のことを「フィラメント」と言います。フィラメントは「タングステン」という名前の金属で出来ています。(金属なので、電気を通すわけです。実験教室でやりましたね。)
話を元に戻しましょう。何故明かりはすぐに消えてしまったのでしょう。
電流を流しているときに豆電球を触ってみると、豆電球が熱くなっていることが分かると思います。たくさんの乾電池で電流を流すほど、熱くなります。ずっと触っていると火傷するかもしれないので気を付けてください。豆電球の表面の温度はだいたい数十℃程度ですが、フィラメント自体は2千~3千℃になっています。ちなみに太陽の温度は約6千℃なので、かなりフィラメントの温度が高いことが分かります。

ところで、また横道に逸れますが、豆電球はそもそも何故光るのでしょう?
実は「温度が高いほど明るく光る」という法則があるのです。(厳密に言うと、温度が低過ぎたり高過ぎたりすると人間には光っているようには見えなくなります。温度が低過ぎたり高過ぎたりすると、人間の目では見ることが出来ない光を出すようになるからです。)だから太陽は光っているのです。それと同じ仕組みで、フィラメントも光っています。

もう一度、話を戻して。
乾電池をたくさんつないで、電圧をかけるほど、豆電球は明るく光ります。つまり、温度が高くなっています。ですが、あまりにも電圧をかけすぎると、タングステンは昇華(しょうか:固体から気体に変化すること。ドライアイスが二酸化炭素になるのと同じ現象です。)してしまいます。
すると、一本のくるくる巻いた線だったはずのフィラメントが途中で切れてしまいます。フィラメントが切れると、電池のプラス極からマイナス極へ一周していたはずの回路が、途中で切れて一周できなくなるので、もう電流は流れません。なので、明かりが消えます。
ちなみに、今回の実験で使った豆電球は、2.5V(Vはボルトと読み、電圧の単位です。乾電池ひとつの電圧は1.5ボルト。ふたつにすると電圧は2倍の3Vになります。)より低い電圧で使用することを前提に作られています。(実際には、私が行った実験では6Vまで耐えたわけですが。)
それより高い電圧で使わないで下さい、とメーカーさんが言っています。もちろん、理由は「フィラメントが切れるから」です。「危ないから」です。豆電球を爆発させる実験をもし行う場合は十分に気をつけてください。

以下は余談です。
日本ではコンセントから100Vの電流が流れてきます。(一部、違う電圧のものもあります。)家電製品などは、全てこの電圧で使用することを前提として作られています。
ところが、外国のコンセントでは電圧が異なる場合が多いため、外国で日本の製品を使う場合は、電圧を変える機器(「変圧器」)が必要になります。(乾電池の電流は直流電流、コンセントの電流は交流電流という違いはあります。)

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  Q2 ニッケルやコバルトってなに?

  第2回親子理科実験教室では、磁石になるものとして、鉄・コバルト・ニッケルがあるという話をしました。

鉄は建物を支える鉄筋や機械の部品として使われたり、ステンレスなどの合金に含まれたりしており、身近な金属だと思います。今回の実験で用いたフェライト磁石やネオジム磁石も鉄を含んでいます。
コバルト・ニッケルも鉄と似た性質を持つ金属なのですが、産出量が鉄に比べて少なく、高価であるため、鉄と比べるとあまり馴染みが無い金属かもしれません。ですが、意外と身近なところで使われています。

以下でそれを見ていきましょう。なお、コバルトもニッケルも金属なので、見た目はピカピカと光っていて、電気も通します。
コバルトが少しガラスに含まれると、ガラスの色は青くなります。これはステンドグラスに用いられています。絵の具などに使われているコバルトブルーという青色の顔料は、アルミン酸コバルトという物質が主成分であり、コバルトが含まれています。
また、ネオジム磁石に次いで強い磁石であるサマリウムコバルト磁石にはコバルトが含まれています。

50円玉と100円玉は白銅と呼ばれる合金で、銅75%・ニッケル25%からなります。500円玉はニッケル黄銅と呼ばれる合金で、銅72%・亜鉛20%・ニッケル8%からなります。いずれも、ニッケルを含んでいますが、磁石にはくっつきません。銅や亜鉛が磁石にくっつかない物質であり、それが邪魔をしている、というイメージですね。(実は、磁石にくっつくかくっつかないかは、単純に磁石にくっつくものの割合によって決まるものではなく、今でも研究の最先端の分野のひとつです。)
また、ニッケルの磁石にくっつく性質を利用したものとしては、変圧器の中の鉄心として使われています。(第3,4回で出てくる「電磁誘導」に関係があります。)
ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池などの充電池の電極としてニッケルが使われています。ハイブリッドカーやデジタルカメラの充電池は主にニッケル水素電池が用いられています。

50円玉と100円玉は白銅と呼ばれる合金で、銅75%・ニッケル25%からなります。500円玉はニッケル黄銅と呼ばれる合金で、銅72%・亜鉛20%・ニッケル8%からなります。いずれも、ニッケルを含んでいますが、磁石にはくっつきません。銅や亜鉛が磁石にくっつかない物質であり、それが邪魔をしている、というイメージですね。(実は、磁石にくっつくかくっつかないかは、単純に磁石にくっつくものの割合によって決まるものではなく、今でも研究の最先端の分野のひとつです。)
また、ニッケルの磁石にくっつく性質を利用したものとしては、変圧器の中の鉄心として使われています。(第3,4回で出てくる「電磁誘導」に関係があります。)
ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池などの充電池の電極としてニッケルが使われています。ハイブリッドカーやデジタルカメラの充電池は主にニッケル水素電池が用いられています。

このように、聞きなれない物質のコバルト・ニッケルも、身近なところで使われています。ときには磁石の性質を利用して、ときには別の性質を利用して。

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  Q3 どうして釘は磁石になるの?

  第2回親子理科実験教室では、鉄で出来ているくぎを何度も同じ方向に磁石でこすると、くぎが磁石になる、という実験をしました。
どうしてくぎが磁石になったのか、もう少し詳しく考えていきましょう。
   
<図1 物質を細かくみる>
世の中の物質は全て、原子から出来ています。鉄も消しゴムも氷も、小さな原子がたくさん集まって出来ています。
原子の大きさは、原子の種類によりますが、だいたい半径が0.0000000001m(10の-10乗メートル)の球ぐらいです。
その原子がたくさん集まって、世の中の物質が出来ています。
小さな原子は、もっと小さな原子核と、その周りをぐるぐる回るもっともっと小さな電子から出来ています。

余談:単位について
   
<図2 電流の向きと電子の流れる向きは逆向き>
少し電流の話をしておきましょう。
金属に電池をつなぐと電気が流れますが、実は電流の正体は電子の流れです。
ただ、電子の正体が分かっていない時代に電流の流れる向きを決めてしまったために、電子の流れる向きと電流の向きが逆向きになっています。
電流が発見されたのは18世紀から19世紀頃、電子の発見は19世紀末です。
  さて、この電流の元になる電子ですが、実はこれが磁石の元でもあるのです。電子は、上述のように、非常に小さいものですが、実は電子自体が磁石にもなっています。
第2回親子実験教室では、「まめ磁石」という言葉を用いて磁石の性質を説明しましたが、実はこの小さな電子をイメージして「まめ磁石」と呼んでいました。
以下では、物質の性質の中から、電子の磁石の性質だけを取り出して、「まめ磁石モデル」を考えていきましょう。
   
<図3 磁石になる前のまめ磁石の並び方はばらばら>
磁石になっていないくぎでは、まめ磁石がばらばらな向きを向いています。
まめ磁石がばらばらな向きを向いているので、全体としてみたときに、それぞれの磁力が打ち消し合ってしまい、全体として磁石になっていないのです。
   
<図4 磁化現象>
さて、では早速、くぎを磁石にしましょう。
ここでは、図4のように、強力な磁石のN極を、くぎの右から左へとこすることを考えましょう。
磁石のN極どうしは反発し合い、N極とS極は引き合うので、強力な磁石のN極に対して、まめ磁石のS極は引き寄せられ、N極は反発します。
強力な磁石をこすると、まめ磁石のS極は強力な磁石のほうを向きたがるので、結果として、強力な磁石によってまめ磁石の向きが揃えられることになります。
一回こすっただけではまめ磁石の向きが完全には揃わないかもしれませんが、何度もこすると、どんどん揃っていきます。これが、何度もこするとどんどんくぎの磁石の強さが強くなっていくということです。
  このように、磁石ではなかったものが磁石になる現象のことを、磁化現象と呼びます。
     
  【おまけの話】  
   
<図5 多くの物質は磁石にならない>
では、何故、鉄・コバルト・ニッケルのような限られた物質しか磁石にならないのでしょうか。
実は、多くの物質は図5の左のような状態は不安定になってしまいます。何故なら、図4の右のような状態だとN極どうし・S極どうしで反発し合う部分があるため不安定であり、図5の右のような並び方のほうが安定だからです。
無理矢理磁石でまめ磁石の向きを揃えようとしても、交互に反対を向いていたほうが安定なので、物質は磁化しません。
  つまり、鉄・コバルト・ニッケルなどはちょっと特殊なのです。
これらの物質の場合は、別の効果により、まめ磁石の向きが交互に反対であっても、強力な磁石の向きにそった状態の安定さが強められるので、磁石になることが出来るのです。この別の効果というのは、実はまめ磁石は電子なので、電子が物質中をうろちょろしていることからくる効果です。
詳細については、割愛します。

ところで、磁石になっていない状態では、まめ磁石の向きがばらばらだ、という話をしました。
この、ばらばらになる傾向は、温度が高いほど強くなります。そして、或る温度より高くなると、たとえ鉄であってもまめ磁石の向きを揃えることが出来なくなります。その温度のことをキュリー温度といい、物質によって様々ですが、例えば鉄のキュリー温度は770℃です。(鉄の融点はもちろんそれより高い1535℃です。)
キュリー温度より高く、まめ磁石の向きが揃うことが出来ない性質のことを「常磁性」、反対にまめ磁石の向きが揃うことが出来る性質のことを「強磁性」と言います。多くの物質の、まめ磁石が交互に反対に向く性質は「反強磁性」と呼ばれます。
室温では、多くの物質は常磁性または反強磁性を示し、鉄・コバルト・ニッケルなどの限られた物質のみが強磁性を示す、ということです。

【余談:単位について】
 1mの1000分の1は1mm、ミリメートル
 1mmの1000分の1は1μm、マイクロメートル
 1μmの1000分の1は1nm、ナノメートル
 なので、原子の半径はおよそ0.lnmとも表せます。また、0.1nmは1Å(オングストロームと読みます)と同じ長さです。

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  Q4 磁気カードの他に、磁石はどんなところで使われているの?

  第2回親子理科実験教室では、ラガールカードなどの磁気カードに磁性流体を塗ったり鉄粉をかけたりして、バーコードが浮き出てくることを確認しました。
これは、磁石の形で情報が保存されているということでした。身のまわりで、他に磁石はどのように応用されているでしょうか。
まず、磁気カードと同じように、情報を保存する為に磁石が使われている例として、
 ・パソコンなどの情報を保存するハードディスク
 ・音楽や映像を保存するカセットテープやビデオテープ
などが挙げられます。
ですので、パソコンなどに磁石を近付けると、パソコンの情報が失われる危険性があります。
余談ですが、CDやDVDでは、磁気ではなく光を用いて情報を保存しているので、磁石を近付けても情報は失われることはありません。

次の例を挙げる前に、言葉の整理をしておきましょう。
第2回親子理科実験教室で用いた磁石は、いずれも、永久磁石と呼ばれる種類の磁石です。永久と名前はついていますが、厳密には少しずつ磁石の力は弱まっていき最後には磁石ではなくなります。
それに対して、第3回親子理科実験教室で実験しますが、コイルは電流を流すと磁石のように振舞います。これを電磁石と呼びます。電磁石は、電流を流すのをやめると磁石の性質をすぐに失います。

電磁石と永久磁石を組み合わせると、モーターを作ることが出来ます。
これに関しては、第4回親子理科実験教室でリニアモーターカーを作製する予定ですので、そのときに説明したいと思います。モーターは、スピーカーが音を出す際にも用いられています。

ところで、以前に、くぎが磁石になることの説明として、また、世の中の物質は全て原子から出来ていて、その原子は原子核と電子から出来ていて、その電子は磁石なので、これをまめ磁石と呼んで、まめ磁石モデルで説明しました。
実は原子核も磁石の性質を持っています。
この、原子核の磁石の力を用いて、普通の目では見えないものを見る方法が、病院や研究で用いられているMRI(Magnetic Resonance Imaging, 核磁気共鳴画像法)です。

また、ちょっと変わった磁石の用途として、牛に飲ませるというものがあります。
牛は、地面に落ちている釘や鉄片を勝手に飲み込んでしまいます。牧場の牛に磁石をあらかじめ飲ませておいて、その磁石に釘や鉄片がくっつくことで牛の胃が傷付かないようにしています。

このように、磁石はいろいろと使われています。

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  Q5 TAのお兄さんが作って持ってきてくれたモーターはとてもよく動いていましたが、作り方を教えてください。

  実験教室秋~冬コースの第1回目で電動モータを作りましたね。この時は、みんな同じ材料で同じように作りましたが、その時の様子を見て、TAの1人である草場哲さんが手作りの電動モーターを持ってきて下さり、第2回実験教室で見せてもらいました。

実験教室では、教材キットを使ってもの作りをしていますが、身近にあるいろいろなものを使い工夫して、自分だけにしかできないモーターを作ったり、発電機を作ったりすることも大切です。原理をきちんと知っていても、実際にものに仕上げるには技術の工夫もいるからです。
こういう工夫をいろいろとしていると、そこに、ものづくりの芽が生まれ、未来の生活を支える素晴らしい技術も生まれるかもしれません。

下に草場さんが作られた作り方の説明図を掲載しますので、これを参考に作って見てください。
お家にある色々なマグネットが使えますが、物をぶら下げるタイプのもののほうが磁石の力は強いので、そういうものを使うといいですね。
 

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  Q6 スピーカーの原理が分かりません。なぜ音が鳴るのか教えてください。

  11月の実験教室(秋~冬コース第2回)では、スピーカーを作るのに時間がかかって、スピーカーの原理について説明があまりできていませんでした。本当のスピーカーも教室で作ったのと同じしくみなのです。TAの草場哲さんがそのお答えを書いてくださいましたので、ご紹介します。
   
************************* 草場さんの回答 ******************************
  皆さんが一生懸命エナメル線を巻いたもの、これを「コイル」と呼びます。実は、このコイルには次のような性質があります。

  性質:コイルに電流を流すと磁界(磁場)が発生して、釘(鉄)を引きつけたり、磁石と引きあったり反発したりする。

ほら、釘を引きつけるのは秋~冬コース第1回に皆さんも実験しましたね。また、磁石と引きあったり、反発したりすることは、吊るしたコイルに電流を流して磁石を近づけてみることで確認することができます。
実は、モーター、そしてスピーカーはこの性質を利用しているのです。
まずは、皆さん自身の力で答えを考えてみましょう。正しくても、間違っても、自分の力で考えることはとても大切なことだと思います。皆さんはどう思いますか?

では、解説。

まずは、皆さんが作った紙コップはどんなふうになっているのかを見てください。紙コップが二つ底をくっつけた形をしています。そして、内側の紙コップの底には磁石が張り付いていて、もう一つの紙コップの底にはコイル(エナメル線をくるくると巻いたものです)がありますね。
コイルに電流を流すと、先ほどの性質から、もう一つの紙コップにくっついている磁石を引きつける、或いは反発しあったりします。
そこで、電流の流れる向きが変化し続ける波のような電流を流すとどうなるでしょうか。電流の向きが変わる訳ですから、それに応じて磁界の向きも変化して、結果として、磁石(と磁石がくっついている紙コップ)もまた、電流に応じて、引きつけられたり、反発したりを繰り返して、振動することになります。この振動が、空気中に伝わって、音として私たちの耳へと届くのです。これがスピーカーのしくみです。

余談 逆にしてみたら…!?

秋~冬コース第2回に皆さんはスピーカーを作りましたね。スピーカーは、先ほど説明したように、電気信号を音に変えています。では、この逆は成り立つのでしょうか?
実は、スピーカーと同じ仕組みで音を電気信号に変えることもできるのです。実際にこの仕組みを利用しているのが、ダイナミックマイクと呼ばれるものです。
他にも、秋~冬コース第3回で使うクリスタルイヤホンもまた、電気信号を音に変えるだけでなく、逆に音を電気信号に変えることもできます。

逆に、モーターを回すことで電気を作ることもできるのです。
夏休みに実施された実験教室の夏休み集中コースに参加された皆さんは、モーターが発電機にもなることを学んだと思います(集中コースに参加されていない方は是非実験してみてください。私が知っている実験方法を紹介すると、市販の模型用モーターの電極に豆電球等を取り付け、回転軸にたこ糸等を巻いて、素早く引っ張って回転させると、光るのを確認することができます。今回実験教室で作ったモーターではまだ試していませんので、そちらで実験する際は壊れないように気をつけてくださいね。)。

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  Q7 紙コップで作った糸電話の音は遠くまで伝わりますがどうしてですか?

  糸電話を使った音の伝わり方について補足しておきましょう。

まず、糸電話で音が伝わるのは、みんな答えていたから分かりましね。
人間が、声を出すとき、口の中で空気を振動させています。この様子は、実は春~夏コース第4回目の小山田先生のお話の中でちょっと出てきました。口の中は、ラッパやシンバルや、その他の楽器と同じように、周囲を振動させてそれが空気を振動させているのです。空気の振動が、他の人の耳のところまで伝わって、それが、耳の中の鼓膜を振動させて、それが信号になって頭の中(脳)に伝わります(実は伝わり方は弱い電気信号なのですよ)。

ところで、糸電話は、人の声が紙コップの中の空気を振動させて、それがコップを振動させ、またそれが、コップについている糸の振動に変わり、それを糸を伝わっていき、その振動をもう一度、紙コップに行きついたところで、また、空気の音波になり、それが鼓膜に入って相手に伝わります。こうして、離れた人同士で会話ができるように作られたものです。

普通の声は、声→空気→耳 というように伝わります。
糸電話では、声→空気→紙コップ→糸→紙コップ→空気→耳 というように伝わります。

紙コップの中で音を出すと、そこの空気を伝わって紙コップの底が振動します。その振動がピンと張りつめた糸に伝わります。すると、その振動は、糸でつながった相手の耳の側にあるコップの底に届き、コップを振動させます。そして、コップの底の振動が空気中の音にもう一度変えられます。こうして音が聞こえるのです。
空気の振動で伝わるのでは、相手の耳に届く振動とともに、空気中の四方八方に伝わります。ですが、糸だけに振動を伝えるので、声の振動が直接相手の紙コップに強く伝わります。ですので、遠くまで音が届くのです。

これが糸電話のしくみです。

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  Q8 2015年度親子理科実験教室(夏休み集中コース第2弾)のグループディスカッションで配られたヒントカードをもう一度見せてほしいのですが。

  このヒントカードは、親子理科実験教室(夏休み集中コース第2弾)の2日目で、「なぜ方位磁針のN極が北を指すのか」「地磁気が発生する原因は何か」について、保護者同士で話し合いをした際に使ったものですね。
下にヒントカードを掲載しましたのでご覧ください!(各カードをクリックすると、拡大画像でご覧いただけます)
 

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