電磁石授業プラン

〜磁力と電気の発明発見物語をベースにした授業プラン〜

　

「慈石は鉄を召し、これを引くなり」２２００年前の中国の本

７１３年（和銅６年）近江国より朝廷に捧げられている。今は磁石といえば、人工的に作られた磁石のことをさす。つまり「慈石」は、磁鉄鉱・天然磁石のこと、おそらくは、３５００年前から始まった鉄の発掘と共に偶然見つかったものであろう。また、磁化させた鉄が北を指す性質から中国で羅針盤が発明され、大航海時代に大いに活用された。

宝石のひとつとして珍重された琥珀（エレクトーン）や硫黄という鉱物が静電気を帯びやすいことは古くから知られていた。１６世紀の終わり頃イギリスの医者ギルバートは、静電気は磁力と別のものであると結論づけ、静電気を琥珀（エレクトーン）からとってエレクトルムと名付けた。フランクリン（米）が凧をとばして雷が電気であることを発見したことは有名。ボルタはカエルの解剖中に筋肉がけいれんするのは２種類の金属によって生じた電気により興奮させられたと考え電池を発明に至る。液漏れの少ない現在の乾電池の元となる発明は日本の屋井先蔵によるものである。

　

１８２０年の春、コペンハーゲンの大学でいつものように授業をしていたエルステッド教授は、針金に電流を流して熱と光を出す実験中、近くにあった磁石の針が動くことを発見した。この発見は大反響を呼び、これに刺激された多くの科学者が研究を重ね、モーターの発明に欠かせない電流と磁力の関係が明らかにされていった。彼の友人アンデルセンは彼の発見をたたえる詩を詠み。その後の科学者の功績をたたえるエルステッドメダルまで作られている。。

　

【実験１】エスルテッドの発見

�@電流の流れる導線の周りに磁界が発生していることを確認する。　

�A電流の向きによって磁界の極が変わることを確認する。

シュワイガーはエスルテッドの発見を応用して、磁石の周りに何周も導線を巻いて更に大きく磁石の針を動かす発明をしている。いわゆるコイルの原型である。さらに、アンペールは、電流が磁石を動かすことから、逆に磁石が電流の流れる導線を動かす事が出来る発見をしている。これは、モーターの発明に欠かせない原理的な発明である。

【実験２】アンペールの実験

�@電流を流したコイルがU型磁石の磁力の影響を受けて動くことを確認する。電流の向きも変えて試してみる。

　

【工作１】検流計を作る

　

�@フィルムケースの上から５�oぐらいのところに千枚通しかキリで穴を開ける。

�Aエナメル線を巻いてセロテープで止める。両端はエナメルを剥がしておく。

�B画用紙は１０�p×２．５�pの長方形から先を三角にしておく。　ストローの長さは２．５�p

�Cフェライト磁石の上にストローをのせるようにしてセロテープで固定する。

�D�@で開けた穴につまようじを通して針を固定する。

　極を変えたり、電池の数を増やしたりして針のふれ方を比べる。この後学習する電流計のしくみとも関連づける。

　

　エルステッドの発見の後、スタージャンやヘンリーはコイルに鉄心を入れることで強い磁力の磁石を作ることを発見している。

【実験３】電磁石の強さと巻き数や電流の関係を調べる。

�@コイルの巻き数・電流と磁力の関係を調べる。

�A電流計の使い方を覚える。

�B実験結果をにまとめ、考察する技能を身につける。

　　

　

　　

　今からおよそ２００年前のロンドン。マイケル・ファラデーが少年の頃、イギリスは産業革命のまっただ中。石炭を利用し蒸気機関が開発されるなど人類が大量生産・大量消費の幕開けとなる産業革命であった。とはいえ、多くの人々がまだ貧困の中にあった。マイケル・ファラデーもまた家計を助けるために製本屋ではたらき始めた。折しも多くの科学者達が様々な分野で発見や発明を競い合っていた時代であった。ファラデーは好奇心旺盛な少年で、製本屋にはそろっていた科学者の書物をヒマを見てはそれらの本を読みあさった。製本屋の主人リボーも勉強好きのファラデーに好意的であった。科学者達のなぜから出発し、発明や発見を重ねて行く姿にファラデーは見せられながら成長していく。その後ファラデーは、講義をきいたデービーに手紙を送り、その熱意が認められ王立研究所の助手に雇われることになる。エールステッドの発見以来、ファラデーもまたこの電気と磁気の関係に惹きつけられていった。そして、どうしたら電気の流れている針金を磁石の周りで回転させることが出来るかの研究に没頭した。そしてついに実験は成功させる。モーターの原理が誕生である。このモーターの原理が今、私達のくらしの周りにある様々な電化製品や工場の大きな機械を動かし、生活を便利なものにしてくれているのである。

　ファラデーが王立研究所で一般の人たちに科学の講義をしていたとき「この新しいおもちゃはいったい何に役立つのでしょうか」と質問され「生まれたばかりの赤ちゃんは何の役に立ちますか？＿」と返している。すぐに役知立ったりお金儲けにつながる研究ではなく、自然のなぞを解く喜びのために努力しつづけた人であった。

　

�@グループで協力してファラデーモーターを回す。

�Aモーターの赤ちゃんとも言われるファラデーのモーターが回転する様子を見ながら、彼の発明が後の文明にもたらした影響について考える。

　

【工作３】コイルモーターを作る

�@簡単なモーターを作りを通して、モーターが回る原理を考える。

�A教え合いながら、知識や技能を高める。

　

�@フィルムケースにエナメル線を１０回ぐらい巻き付けてコイルを作ります。
�Aエナメル線の両端は円の中心を通る直線上に来る位置に２〜３回巻き付けて
　外に出し、２センチぐらいの長さでカットします。
�Bコイルは一方は全部・もう一方は半面だけエナメルをはがしておきます。
�Cクリップを図のように曲げて支柱をつくります。
　（クリップはライオン製のものを使ってください。「返り」があって先端を曲げる必要がありません。）
�D乾電池に図のようにクリップをセロテープで貼り付けます。
�Eフェライト磁石（直径２センチ）を乾電池にひっつけ、クリップの支柱に
はじめにつくっておいたコイルを乗せます。
ちょうどバランスがとれていて、きちんとエナメルがはがしてあると
コイルが回り始めます。

めざせモーター技師・モーター博士
　先生の前で１０秒間回すことができたら。モーター技師に認定します。
　技師はまだ回せない人にアドバイスできます。教えるごとにサインをもらって技師の等級があがります。
　　回らない原因を究明している間に、そのしくみなどが分かってきます。
　シャイな人は、このモーターが回るしくみを考えます。先生のところにきて説明できたらモーター博士に認定します。
　授業の終わりにモーター博士になった人にモーターが回るしくみを解説させます。
　こうすることで、自然に教え合いがはじまり、モーターの原理を考える児童が現れるのです。
　この実験の後に、このモーターの原理を説明するのも博士号を獲得した児童にさせてあげましょう。


６．発電が電気の活用を大いに飛躍させた。

ファラデーが行った一連の実験や発見の中に電磁誘導がある。これは、運動エネルギーから電気を取り出す原理となる重要な発見であった。いわゆる発電である。蓄電池にたよらない電力の供給は、その後発明される様々な電化製品の普及を可能にさせたのであった。

　

【実験４】電磁誘導

コイルの中を磁石が動くと電流が起こることを確認する。

　

　

　

　

　

　　

【実験５】ゼネコンで発電

手回し発電機を使って、発電を体験する。

現在使われている電気のほとんどがこのしくみで発電されていることを知る。
ゼネコンミニ授業プランはこちら

　

　電話の発明は、１８７５年の事であった。音を電気信号に変えるしくみにも電磁石が使われている。

コイルと磁石で簡単なイヤホンを作って電気が音を伝えるしくみを知る。

　

ピンジャックは、１００円均一などで売っているイヤホンの線を切ってつくります。
のこった市販のイヤホン本体は、分解させてみると良いでしょう。中から磁石とコイルがでてきます。
イヤホンがこの原理で作られていることを再認識できます。

【工作５】ブザーをつくる。

　
ブザーの作り方はここをクリックしてね。

　

７．電球の発明はまさに世の中を明るく照らした。。

　電信機、蓄音機をはじめ数々の発明品を世に送り出した天才エジソンですが、電球の発明もその後の人々
の暮らしをまさに「明るく」変える偉大な発明でした。しかし、長時間光を放ち続けるフィラメントの
発見には多くの失敗の上に成り立っていたのです。「天才は１パーセントの霊感（インスピレーション）
と９９パーセントの汗（努力）とから生まれる。」天才と言われ続けたエジソンの言葉です。

　

�@シャープペンの芯に電流を流すと発光することを知る。
電気を利用して「あかり」を取り出す考えは、エジソンが電球を発明する７０年も前から多くの科学者たちによって研究が進められていました。蓄音機をはじめ多くの発明を世に送り出したエジソンもまた、これらの研究に刺激されて、電球の研究に没頭するのでした。その偉業から「天才」と称されるエジソンですが、実はその研究は実に計画的で地道なものでした。まず、電気から光を取り出すそれまでの実験を徹底的に調査し情報を収集することから始めます。当時、金属線に強い電気を流すと明るい光を出すことは知られていましたが、金属線はすぐに焼け切れてしまい、数秒間光るのがやっと。実用化にはほど遠い状況でした。エジソンは、明るくて長持ちする電灯を作るだけでなく、どんな家にも観点に電気が送れて、スイッチ一つでつけられるような電灯を作ろうと考えていたのでした。既に「発明王」として名をとどろかせていたエジソンが電灯の研究を始め、まもなく８分間という電灯の新記録を達成すると、当時の資本家たちは彼にとびつき電灯が発明される以前から「エジソン電灯会社」が設立されたのでした。ところが、１年経っても２年経っても実用化に耐えうる電灯は完成しません。多くの資本家達は、いらだちを覚え、半ばあきらめの声を挙げる者さえあらわれます。しかし、エジソンは多くの優秀な助手たちとともに数千種回にも及ぶ実験をくりかえしたのでした。「天才は１％の霊感（インスピレーション）と９９％の汗（努力）とから生まれる」彼はこんな言葉の残しています。　さて、フィラメントと呼ばれる電灯の細い発熱体に適していたものは、意外と金属ではありませんでした。細い木綿の糸を炭にしたものに電気を流すことで４０時間というそれまでとは比べものにならない記録を打ち立てたのでした。その後世界のあらゆる地域からねばり強い繊維質の物が集められ実験が繰り返されました。そして日本の京都から送られてきた竹がもっとも良いとされ電灯の大量生産に至ったことは有名な話です。こうして１８８０年ニューヨークに発電所が建てられその１年後には１万個以上の電灯が世の中を照らし始めたのでした。

シャープペンが焼き切れる時に見られるまぶしい発光はアーク発光と呼ばれるもので、エジソン電球が発明される前に、ファラデーの師匠でもあったデービーが実験的に行ったアーク灯の原理と同じである。電球が発明されるまで、ランプがガス灯が主流であった。

　

【工作７】電気パンを焼く。

　ホットケーキミックスに含まれている重曹（炭酸水素ナトリウム）の水溶液は電解質であり食塩同様に電気を通す。
ボルタの電池など金属や水溶液の組み合わせで電気が起こること関連づけることもできる。

　

７．その他

　

雷電びん　　 静電気を体感　「百人おびえ」

ボルタの電池　　
カエルの解剖中に筋肉が痙攣（けいれん）するのは、解剖につかった２種類の金属メスが
原因であったことをつきとめたボルタは、これをきっかけに電池の発明に至ります。
１０円玉と１円玉をつかった電池作りに挑戦です。
この電池で電子メロディの音を鳴らせてみます。



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