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スポルティーフ、フォールディングバイク、クロスバイク乗り回す学生サイクリストのブログ。毎日自転車通勤通学。

【理科実験】簡易モーターをつくってみた。  

今回のテーマはモーター。
モーターは私達の生活には不可欠なものの1つになっている。
例えば我が家では扇風機が大活躍しているが、これはモーターの働きによって電気エネルギーを運動エネルギーに変えることで羽根を回転させている。
モーターがどのような仕組みで回っているのかに迫る。

CIMG6945_R.jpg


用意するのは
単4アルカリ乾電池



単3乾電池



ネオジム磁石(直径13~15mm程度)



9号アルミカップ



と非常に簡単なので、作業の難易度は低め。単3乾電池は型をつくるためのものなので空でもOK。

手順は以下のようにする。

CIMG6946_R.jpg


はじめに単3乾電池とアルミカップをあけて、単3乾電池にアルミを密着させておく。


CIMG6948_R.jpg

CIMG6950_R.jpg

CIMG6951_R.jpg


次に平らなネオジム磁石を4つくっつける。単4アルカリ乾電池を負極(出っ張ってない)側を磁石にくっつけて直立させる。


CIMG6947_R.jpg


単3乾電池に密着させておいたアルミを抜き取って、直立させた単4アルカリ乾電池にかぶせる。



CIMG6954_R.jpg


するとアルミがクルクル回り出す。


メカニズムはこうだ。
ネオジム磁石とアルミが接触することで、乾電池の正極からアルミへ、そしてネオジム磁石から負極へ「電流」が流れていく。
重要なのは電流の通り道には、電流の周りに磁力が生じる原理があることだ。このことを「電流がつくる磁界」とも言う。
なぜこの原理が成り立つのか?この原理を説明することは大学の物理学科に任せることにして、ここではそういう原理がありますよ、と納得することにする。

ここでアルミに流れた電流の周りで生じた磁力と、ネオジム磁石に働く磁力が互いに作用しあうことで、比較的軽いアルミのほうが動くことになる。
このように電流と磁石の関係を利用しているのがモーターだ。

実験のモーターは簡易的なもので、何かに利用できるものではない。実際はアルミではなく電線を使っている。
しかし我々の身の回りにある家電製品などに含まれるモーターも原理は一緒。
電流を強くしたり、電線をたくさん巻いたり、磁石をより強力にしたりして、モーターの性能が上がったにすぎない。
意外に思うかもしれないが、携帯電話やスマートフォンがブルブル振動するバイブもこのモーターを利用しているのだ。

ここまで小学生向けの説明。



Posted on 2014/08/22 Fri. 00:00 [edit]

category: 実験

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【理科実験】最先端の環境技術、燃料電池をつくってみた。  

小中高生にとっては夏休みも終わりに近づき、いまだ課題に追われている人もいるかもしれない。
アクセス解析によると、この夏、当ブログへのアクセスのほとんど理科実験記事だった。
検索ワードでは卵の殻を溶かす実験やら、10円玉をピッカピッカにする実験が人気の模様。
自転車中心ブログなのにアクセスの大半が理科実験記事ということは実験系記事を多くしたほうが良いのかも。

今回はいまだ自由研究のテーマに迷っている、工作という形で学校に展示したいという方にオススメの実験を行う。
電気を起こしても生成物が水だけという何とも環境にやさしいと話題の燃料電池をテーマにする。
身近なものを使って電池をつくってみた。火を使うので必ずお家の人が見ている中で作業すること。

まず用意するものは
・9Vの6P型乾電池



・スポーツドリンクとペッドボトル(500mlあれば十分)。私は粉末状のものを溶かして作りました



・ワニ型クリップ(今はみのむしクリップというのかな?)付き銅線2本



・瞬間接着剤(瞬間でなくてもよい)



・BBQ焼き網




・いらない鉛筆2本(同じ長さ)



・軍手



・ピンセット



・桶



・紙やすり




・千枚通し



・発光ダイオード



軍手は無くても可能、桶、千枚通し、ピンセット、BBQ焼き網は代用可。


鉛筆を用意してもらったのは、鉛筆の芯を電池の電極にしたいから。

CIMG3411_R.jpg


芯だけ取り出すために、コンロで焼く。
芯が赤くなったタイミングで火を消して、中の芯を取り出す。


CIMG3414_R.jpg

CIMG3415_R.jpg

勢い余って炎を上げてしまったが、中の芯は無事だった。



CIMG3416_R.jpg


本来は中の芯をピンセットで抜く作業をするが、芯だけ残ったのでその必要はなかった。桶に入れておいた水に浸けて冷やす。


CIMG3412_R.jpg

芯を冷やしてから取り出し、乾かしている間にペットボトルの蓋に穴を開けておく。
千枚通しを用いると簡単。無かったらドライバーを使ってもいいかも。
上の画像は二箇所しか穴は無いが、穴は三箇所開ける。ここでの注意点は鉛筆の芯が通るくらいの穴の大きさにすること。
また芯の先は互いに近いほど良い。かと言ってくっつけてはならない。
もう一箇所の穴は化学反応で発生した気体を通すために開ける。


CIMG3417_R.jpg

さらにスポーツドリンクを用意しておこう。粉末でつくっておいたスポーツドリンクを350mlのペットボトルに注ぐ。
芯が6,7割くらいスポーツドリンクに浸かればよい。


CIMG3418_R.jpg

さて、芯が乾いたところで、紙やすりの登場。
鉛筆の芯はデリケートなので折らないように注意しながら紙やすりでこすろう。
芯の表面に傷につけることで、化学反応がより早く進むようになる。


この理由は高校化学で習うように反応速度を変える条件の1つ「表面積」に関係する。
表面積が大きくれば、反応の起こる場所がそれだけ増えるわけで、粒子の衝突機会が増えるというわけだ。
例えば、粉ではない固体の入浴剤を例にあげよう。
入浴剤を入れて、泡がシュワシュワ起こる、あれは身近な化学反応であるが、お湯(液体)と入浴剤(固体)による反応である。
入浴剤はできるだけ砕いてお湯に浸けると砕かないときと比べて早く溶ける。
砕いたことにより入浴剤の表面積が大きくなり、お湯との衝突機会が増えたことによるからだ。
入浴剤の場合はシュワシュワが楽しいのであって早く溶けてはつまらないだろ!!って言われそうだけど。


閑話休題…、とにかく芯に傷をつけて表面積を大きくする。


CIMG3419_R_20130830005820a03.jpg

芯をペットボトルのふたに差し込んで接着剤で止める。
先ほども言ったようにた芯の先は互いに近いほど良い。かと言ってくっつけてはならない。
画像の手がキモいのは画像のリサイズミス。気にしない。


CIMG3421_R.jpg

スポーツドリンクを入れたペッドボトルに芯のついた蓋を取り付ける。これで形にはなった。


CIMG3422_R.jpg

CIMG3420_R.jpg

次に芯を充電していく。乾電池とワニ型クリップを使って、芯と乾電池を接続しよう。
上の画像は電池ホルダーを使用したが、次の画像のように直接つないでも問題ない。
CIMG3426_R.jpg


CIMG3423_R.jpg
手で押さえないといけないが、自転車フロントライトに使っていたエネループ単4電池3本でも充電できた。
どうしても9Vの6P型乾電池が用意できなかったからこれもアリかも。


CIMG3424_R.jpg
CIMG3425_R.jpg

芯から泡が出始めたら充電完了(本当は泡が出てからもしばらく待ってみた方が良さげだった)。乾電池の+極をつないでいた導線を今度は発光ダイオードの足の長い方(+極)につなぐ。
発光ダイオードは足の長い方が+極、短い方が-極となっている。
同様に電池の-極をつないでいた導線を発光ダイオードの足が短い方(-極)をつなぐ。

すると

CIMG3431_R.jpg

このダイオードが







CIMG3432_R.jpg


ピンぼけしてんじゃねーか(`Д´)


画像ではわかりにくいですが、とりあえず点灯しました。
本当はもっとわかりやすく光るものなんですけどね。暗いところでやれば良かった。
充電が足りなかったのか、電極(鉛筆の芯)が十分にスポーツドリンクに浸っていなかったのか(もしくは芯が長すぎた)、はたまたスポーツドリンクが薄すぎたかもしれません。

さてみなさんは上手くいった前提で実験のまとめに入ります。
なぜ電気が起こったのか、そのメカニズムに迫ります。
まずスポーツドリンクは電流を流せる水溶液なのです。これを電解質水溶液と言います。
電気を流すことで水素と酸素に分解されます。これを電気分解と言います。穴から出てきた気体の正体はこの2つです。
電気を止めると、次は水素と酸素がくっついて水になります。このときに電気が発生するのです。つまり水の電気分解の逆で電気が生じるのです。
燃料電池とは水素と酸素を使って電気を起こす電池のこと。電気分解の逆が肝。

このような電池は前にも述べたとおり、水だけしか生じないので環境に優しい。
その上、エネルギーの効率に優れている。どういうことかと言えば、水素から直接電気を取り出している点。
これは化学エネルギーから直接電気エネルギーに変換しているので、エネルギーを変換するときのロスが少なくてすむ。
火力発電は二酸化炭素が発生する上、化学エネルギー→熱エネルギー→運動エネルギー→電気エネルギーと変換しているので、エネルギーロスが大きいのがわかる。

その他メリットとしては水素の入手が容易なこと、生成された水がお湯や飲料水として有効活用できる点、静音性などがあがる。
近年はエコカーのような自動車に利用されている。今騒がれているエネルギー問題でも燃料電池は省エネルギーの切り札になるかもしれない。
未来のエネルギーとして注目されている。


高校化学ではもう少し踏み込んで化学反応式を考えてみる。
電気分解のときの反応式は受験生ならかけていなければならない。
陽極が酸化されるということは常識、私は陽気に参加 (陽極は酸化)と覚えていた。陽極が酸化されることがわかっていれば、陰極は当然還元される。
なお、電池においては正極が還元、負極が酸化となる。電気分解と電池では逆と覚えておく。
そして
酸化される・・・電子を失う
還元される・・・電子を得る
だから

乾電池の負極につないだほうの電気分解による陰極では
銅イオンや、銀イオンなどイオン化傾向の小さい金属イオンは存在しないから、かわりに水素イオンが反応して、

WS000037.jpg

水溶液は酸性ではないから両辺に水酸化物イオン2OH-加えて、

WS000040.jpg

これが陰極で起こる反応である。陰極では電子を得ている。

では電気分解による陽極を見てみよう。こちらは水酸化物イオンが反応する。

WS000041.jpg

水溶液は塩基性ではないから両辺に水素イオン4H+加えて

WS000042.jpg

これが陽極で起こる反応である。陽極では電子を失っている。

全体では、陰極と陽極の反応式からe-を消去するように整理すると、

WS000045.jpg

このように水から酸素と水素が生じているのが全体の反応式を書くことで確かめられる。
また、実験の時に片方の電極の泡の出方が激しいことを観察したと思う。
反応式からわかるように水素と酸素は2:1の割合で生じている。
激しく気体が発生したのは水素、つまり陰極側なのだね。

発光ダイオードを光らせた時、電気分解の逆が起こっているから

WS000044.jpg

その逆の反応式を書けば確かに水だけが生成しているとわかる。


おまけ

発光ダイオードだけでなく、豆電球やメロディーICをつないでみても面白いかも。
あとは電池を増やしてみるとかね。見づらいと思うので、今後少しずつ編集していきます。





Posted on 2013/08/30 Fri. 02:19 [edit]

category: 実験

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【理科実験】卵の殻を溶かしてみた  

今回は酢酸と呼ばれる酸を含む酢を利用して卵に浸けて卵の殻を溶かしてみた。

準備したものは市販の卵、コップ、酢。
2013_04_09 002_R

まずコップに卵を入れる。卵が十分に浸るまで酢を入れる。このまま冷蔵庫に入れて一日待つ。
ところが後に調べてみると冷蔵庫に入れる前にラップをかけるべきだった模様。













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一日経過して酢を新しいものに交換。コップからは泡が観測される。さらに二日待つ。
















2013_04_10 002_R
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実験開始から三日経過したところでいったん水道水で洗って観察してみる。が、まだ完全に溶けていないみたいだ。

2013_04_10 004_R

ライトを当ててみると、黄身のところが濃く見える。












CIMG1133_R.jpg

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実験開始から五日経過したところで、再びコップから卵を出して水道水で洗うと、今度は完全に固い殻は無くなっていて、代わりに薄い膜が残っていることが観察された。元の卵より若干大きくなった?

CIMG1138_R.jpg
触ってみると弾力性がある。

CIMG1134_R.jpg
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ライトを当てることで金の卵になる。黄身が透けて見える?





これは次のように説明される。
卵の殻の主成分は炭酸カルシウムでできている。
酢には酢酸が含まれていて、この酸が炭酸カルシウムを溶かして、二酸化炭素を発生させる性質がある。高校化学でいう弱酸遊離反応である。
弱酸遊離反応とは強酸が弱酸の塩(えん)を追い出して、弱酸の塩が弱酸に、強酸が強酸の塩になるという反応のこと。

今回の反応を反応式で表せば

卵と酢酸

これは
(弱酸の塩)+(強酸)→(弱酸)+(強酸の塩)
という反応が起きている。強酸って硫酸、塩酸、硝酸じゃなかったの?という疑問が生じるが、ここでいう強酸・弱酸は相対的なものである。
あくまでも、酢酸は炭酸よりも酸の強さが大きいので強酸と呼んでいるのである。

以前の理科実験:10円銅貨をいろいろな調味料に浸けてみた。の最後に高校化学でよく出る酸の強さの大小関係を載せた。

塩酸・硫酸>カルボン酸>炭酸>フェノール類


これを見れば酢酸が炭酸よりも強い酸であることが明らかである。
※酢酸はカルボン酸の一種。

反応式を見ると、二酸化炭素が発生していることが分かる。
これは実験で卵の殻の表面についていた泡の正体だったのである。


卵の構造を見てみる。
卵の構造

卵の殻と白身(卵白)の間には、卵殻膜と呼ばれる膜がある。
酢酸は殻は溶かせるが、この膜までは溶かすことができない。こういうわけで卵の形は保たれるのである。
殻や膜には、ヒナが呼吸をするための目には見えない小さい穴が開いている。
酢につけておくと、この穴に酢の水分が入り込み、卵は元の大きさよりも若干大きくなるのであるが、そこまで大きくなっているかな。

ちなみにこの実験で使用した酢も卵も食べられます。薄い皮の中身をかき混ぜたものを酢卵といって、ドレッシングに利用できる。
この酢卵、美容や健康によい(疲労回復など)らしく商品化されているようです。

今回の実験結果だが、家の冷蔵庫が壊れていて、冷蔵庫が冷凍庫の状態になっているので、酢が凍ってしまい時間がうまくいかなかった点もあった。
具体的にはライトをあてると黄身が透けてみえる、元の卵より大きくなる、2、3日でできるという点。
機会があればまたやってみようかな。



Posted on 2013/04/25 Thu. 00:00 [edit]

category: 実験

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【理科実験】青空・夕焼けをつくってみた  

空がなぜ青いのか、夕焼けはなぜ赤いのか。そんな疑問は誰でも抱いたことがあるのではないか。
今回はその謎に迫る。用意したものは500mlのペットボトル、牛乳、自転車のフロントライト
2013_04_08 001_R


まずペットボトルに水を入れ、牛乳をほんの少し(十数滴)たらす。
2013_04_08 004_R

これで準備完了。

部屋を暗くしてペットボトルを縦にした状態で、横からライトを照らす。
すると、ボトルの中の白い液体が、青空のように見える。
2012_11_10 003_R


さらにペットボトルを横にして、底から照らす。
すると、ボトルの先端が夕焼けのように見える。
2013_04_08 005_R
逆からあててもみたが同様な結果が得られる
2013_04_08 006_R


これらの観測結果は次のようにして説明される。
太陽の光は、紫青緑黄橙赤などの色んな色の光が混ざってできている。
このうちの光は空気の層を通過するとき、比較的散らされやすい傾向がある。高校物理でいう「光の散乱」、高校化学でいう「チンダル現象」を思い出す。
昼間我々は空が青く見ることができるが、これは空いっぱいに青い光が地上まで届いたからである。
さらに地上では太陽の色は少し黄色に見えるが、これは青い光が散らされた結果、青成分が減ったためである。

夕方は太陽の光が斜めから入る。そうすると昼間より長く空気の層を通過する(太陽と観測者との距離が長くなる)ので、多くの色の光が空気の層で散らされて減る。
しかし赤色の光は散らされにくい特徴を持ち、通過しやすいのでこれが地上に届くのである。だから夕焼けは赤っぽく見えるのである。
夕方の方が空気の層を長く通る



実験で言えばライトは太陽、牛乳は空気、ペットボトルの中の水は地球をとりまく空気の層の代わりになっているのである。

では一体、この光の散乱現象はどういうところで利用されているのか。
それは我々の身の回りのノートPC、携帯電話、携帯型ゲーム機などの液晶表示に利用されている。
画面が明るく見えるのは、裏側でライトが照らされているわけだが、光を散乱させる小さな粒が含まれる薄い膜がライトについていて、画面全体を見やすくしているのである。

ちなみにライトをペットボトルの後ろ側からみると昼間の太陽のように黄色みを帯びている。
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Posted on 2013/04/13 Sat. 22:38 [edit]

category: 実験

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【理科実験】10円銅貨をいろいろな調味料に浸けてみた。  

大学受験で化学は大好きだったので、家でできる簡単な実験をしていた。今でも趣味で理科の簡単な実験をすることがある。
自転車と化学は結構関係がある。そりゃ物理ほどではないが。例えば金属のイオン化傾向で関係がある。
自分への備忘録として残していこうと思う。



表面が汚くなった10円銅貨を、醤油やソースなどに一晩浸けておくと、きれいな光沢のある銅貨になる、なんて話を聞いたことがあるだろう。

今回私が実験したのは、4つの10円銅貨を左から、醤油、ウィルキルソン、ソース、ポン酢に浸けてみた。
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一日おいてみた結果が↓




















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ウィルキルソンむしろ酸化が進んでね?www
左から二番目以外は成功といってよさそう。でも完全にピカピカになるわけではなかった。途中で裏返しにすれば綺麗になるのかも。
他の調味料でも試してみるといいかもしれない。



理由は以下の通り。
銅を綺麗にする主役は乳酸などの酸による。
酢の場合は、酢に含まれる酢酸によってさびが溶け、10円銅貨がきれいになる。

10円銅貨の表面には酸化銅(化学式:CuO)と呼ばれるさびがついている。10円玉が黒ずんで見えるのはこのさびが原因なのだ。
銅は湿った空気中で徐々に酸化される。銅のさびは緑青(ろくしょう)と呼ばれる。緑青に覆われた屋根を見たことがあるかもしれない。

酢酸がさびと反応すると、酢酸銅になる。この酢酸銅が緑色っぽい色をしている。
10円玉

反応式は↑の通りだが、塩基性酸化物と酸性で塩と水ができてるから還元ではなくて中和反応に見える。

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調味料を流した時に緑色の物体の正体は緑青でしょうね。



コ○コーラでは酸化銅が溶かせると聞いた。ウィルキルソンでできないのは原材料が水と二酸化炭素のみだからだろう。
水と二酸化炭素といえば炭酸だが、高校化学の知識からすれば酸の強さは

塩酸・硫酸>カルボン酸>炭酸>フェノール類

という記憶がよみがえる。炭酸はカルボン酸(ギ酸や酢酸など)よりは弱い酸のため銅をきれいにできないのだろう、という自分なりの結論に至った。

まだまだ実験の余地がありそう。

Posted on 2013/04/10 Wed. 12:35 [edit]

category: 実験

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