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 『エルステッドの実験』再発見と新発見

  「パスカル電線(S-cable)」概要  

開発から40年近くになりました(since 1978年)


  
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1.はじめに
『エルステッドの実験』
  電流と磁気の関係が明らかになったのは,「エルステッド」が,1820年2月15日に行なった実験によります。
「Hans Christian Orsted,ハンス・クリスティアン・エルステッド」
  1777〜1850年,デンマーク,コペンハーゲン大学,極めて著名な物理・化学者,アンデルセンの親友。


  これは,直流大電流が流れる電線の近くに置いた方位磁針が動くという実験です。方位磁針は地磁気によって北を指しますが,電流によってできたより強い磁場に影響されたのです。これが,今日の電化時代を創出した世紀の大発見だったのです。
  電磁気学習の最初に位置づけられる重要な実験ですが,顕著な結果を得るためには数十アンペアもの大電流が必要です。つまり,溶接機に近い特別な大電流電源装置を用いることになります。そのため,一般には,ある仕掛けによる不十分な実験が行なわれているのみです(実験しない事の方が多いようです)。


  「パスカル電線(S-cable)」は,エルステッドの大発見から始まるすべての電磁気現象を,安価に容易に安全に手元体験できる世界初にして唯一の実験教具です。
詳細は,マニュアル「パスカル電線(S-cable)活用術」(本ページ最後参照)をご覧ください(ブラウザでの表現は限られます)。
  通常は,演示実験映像(少し前までは図1のようなOHP投影)を見て学習します(実際は教科書の図を見て終わることが多い)。

  実験器具は,図2のようなコイルを用い,周りに方位磁針(または鉄粉)を置いたものです。立体的な磁場を平面映像で考えるのは難しく,電磁気の最初でつまづくことになります。
  生徒実験化が難しい教具でもあります。手元では「電線周囲の磁場」ではなく「コイルの磁場」となり易く,電源装置の扱いにも細心の注意が必要(抵抗が小さい)といった事情があります。   

  乾電池を用いたショート回路での大電流(マンガン電池内部抵抗依存の電流制限)を利用した手元実験もあります。不十分な結果であるだけでなく,トンデモ実験に近いかもしれません。



図2  「OHPステージ上の実験装置」

図1  「OHP投影による演示実験」
  そこで,普通の理振備品である直流電源装置(5A)を用い,手の中で実験できる大電流電線「パスカル電線(S-cable)」を工夫しました(図3)。

『40Aがキーポイント!』
  「OHP投影装置による実験,乾電池を用いたショート実験,自作大電流電源装置での実験,市販の大電流電源装置の規格」などを検討すると,『最大でも30A程度の大電流』で実験が行われてきたことがわかります。
  S-cableは意図しなかった『約40A相当の大電流』というオーバースペックに始まり,当初から,より明瞭な実験ができました。それだけでなく,様々な応用実験も可能なことがわかってきました。
  偶然手にした40Aは予想外の大発展を遂げSuper Cable「S-cable」へと進化しました。



図3  「S-cable Ver.2」
「先生と生徒の共同実験(Active Learning)」
  「S-cable」を用いると,方位磁針を手にした生徒たちがワイワイと相談しながらエルステッドの実験を行い,仲間同士で法則を発見できます。といってすべて生徒任せではなく,先生が,S-cableに流れる電流の向きや大きさを変えたり,スイッチ操作を行なって意図的な授業展開(制御)を行なえます。
  このように,生徒と先生が関係しながら実験を深めることができるため,とても魅力的な授業となります。
  最適な『Active Learning実践例』となるでしょう。


「予想外の展開,大発展」
  手元でエルステッドの実験を行なうことを意図したS-cableですが,予想外の展開が始まります。

  鉄心に数周巻くだけでかなり強い電磁石になり,驚かされました(世界初のスタージャンの実験にそっくりです)。しかも,コイル巻きで電磁石ができる理由も簡単に理解できます(この重要事項を小学校で教えていない!)。
  また,磁場の中で「S-cable」が動いたり(電気ブランコ,ローレンツ力),逆に,手で電線を動かすと誘導電流を確認できます。縄跳びのようにゆらすと地磁気発電も確認できます。
  こうなると,もう興奮状態です。今まで,それぞれの実験は,様々に違った方法で行なわれてきましが,一本の電線「S-cable」で可能となったのです。
  エルステッドの実験は,すべての電磁気現象を含んでいたということです。

  S-cableに交流を流すと,近づけた磁石が振動したり(踊ったり),コイルを近づけると接続した豆電球やLEDが点灯します(電磁誘導→トランス)。また,音声電流を流してコイルを近づけると,接続したスピーカーから音が出てきます(電磁誘導)。これは,見えない磁場の存在を意識しやすく,驚きを持って電磁気を理解できます。


※音声を用いた電磁誘導は補聴器でも利用され,JIS規格化されています。関係する送信設備である電線は床下に設置されているそうです。また,美術館などでの案内システムに利用されていたこともあります。

「名称」
  思っていた以上に多彩な実験の出来ることが明らかになり,当初の「大電流電線」が最適とはいえなくなりました。そこで,普及活動の中心となった「京都パスカル」名をとって「パスカル電線」としました。
  タイ国IPSTから依頼された海外セミナーをきっかけに,Super Cable「S-cable」という世界展開も意図した名称も使うことにしました。お世話になった大隅紀和先生(京都教育大学名誉教授)の提案です。


「開発時期」
  S-cableの開発は,公立中学校に在職中,校内インターホンケーブルの8芯線が目に付き,これを用いて試作したのが始まりです。
1978年のことで,2017年で39周年となりました。


S-cable実験
 
  ●実験室1(電流とジュール熱,磁場)   ●実験室2(コイル,電磁石)
  ●実験室3(電気ブランコ,電磁誘導)(作業中)
  ●実験室4(音声電磁誘導,同期モーター)(作業中)



2.構造と特徴(Ver.2)
  標準仕様として採用したビニル多芯電線は,色分けされた10本の細い芯線(0.3mm2)が被膜でまとめられ,直径8.0mmの太さになっています。
  この10芯線を,接続ボックス内で1段ずつ色をずらして半田づけし,最初と最後の線はターミナルを介して直流電源装置に接続します。


  ビニル多芯電線の購入先の例:「愛三電機株式会社」
愛三での商品名 『 ビニール多芯コード VCTF 0.3sq 10芯 』

図4  多芯電線(10芯の例)

図5  接続ボックス内部
  電線とターミナルの間に「±極性切り換えスイッチ」と「電源スイッチ」を取り付けると,さまざまな授業展開が可能になります。
  標準仕様は,この2つのはたらきを1個のスイッチにまとめて扱いやすくしています(図7)。


本体内部
図6  接続ボックス内部(実物)
スイッチ
図7  スイッチの配線


「S-cable標準仕様」 (ビニル多芯電線 0.3mm2×10芯×6m)+(5A理振電源装置)
  6mの10芯電線を用いると,実質10周のコイルとなりますが,全長60mの長い1本の電線でもあります。その長さによって,全抵抗は約 3.8Ωとなり,実験室に普通にある理振備品の直流電源装置(5A/0〜15V程度)に接続すると,15V設定で4A近い電流が流れることになります。つまり,この電線を長さを6mで用いると,電源装置をどのように扱ってもブレーカが落ちる心配がないのです(児童・生徒実験も容易)。

  結果,電流は10周するため,約40A相当の大電流が流れる電線と同等になり,極めて強力な磁場が得られます。長さ6mは8人がけの実験机一周程度となり,十数人の児童・生徒が一緒に実験できます(3台あれば,クラス全員での一斉実験も可能です)。

  最初は,ショートに近いだろうと心配しながら試し,結果に驚きました。こんなに抵抗が大きくなるとは思ってもみませんでした。
  当初,電線の太さを気にしましたが,授業で用いるとすぐに「絶妙な太さ」だとわかります。

  実際に40A相当の電流が流れている事は,DC電流の測定可能なクランプメーターで確認できます。DC電流の測定は磁気センサーのはずで,当初のねらい通り,10倍相当の強力な磁場が形成されています。



図8  10倍相当(40A)の電流測定(写真の例は,9m版S-cable)

「標準仕様」は『奇跡の設定』
  この電線の開発にあたって,様々な多芯電線(8芯〜50芯線)を探して試作,検討しました。電源装置は身近な理振備品とし,ブレーカが落ちない,発熱量(安全性),10倍の電流相当という説明のしやすさ,作りやすさ,電線の入手,費用などを考慮し,標準仕様を設定しました。

  正確に言うと,「標準仕様」以外の設定例はほとんどなかったのです。「LANケーブルで作れませんか?」など,よく聞きます。出来ないこともありませんが,「標準仕様」といえるものにはなりません。エルステッドの実験から約200年間,こういった教具が開発されなかったのはそれなりの理由があるのです。


ご意見1:「電線をより長くしたい!」「電流をより多く流したい!」
  より高電圧の電源(電流容量は5A程度必要)を確保できれば簡単ですが,感電など注意事項も増えます。「芯線を太くする」(抵抗を減らす工夫)という方法もあります。芯線の次の規格は0.5mm2で,10芯線の場合15V電源で10mのS-cableが作れます。ただ,かなり太く(直径10.0mm)なり,扱いにくくなります。「芯線の数を減らす」ても長くできますが,実効電流が減ります。
※タイ国IPSTセミナーで用意していただいた電線は0.34mm2規格で,15V電源なら7mまで可能でした。


ご意見2:「0.3mm210芯線より細い線を使いたい!」
  より細い規格は,0.18mm2×10芯線となります(直径6.0mm)。これは,標準仕様である0.3mm2電線の2倍の抵抗となり,理振備品の電源装置なら3mが限界となります。しかし,4人程度の小グループなら3mでの実験も可能です。問題は,クラス人数が多いと,かなりの数を作らなければならないことです。また,同じ長さでも発熱が2倍となり,長時間作動に不安を生じます。


図9  電源装置の直列つなぎ
「高電圧の電源装置」
  もっと長くする場合,より高電圧の電源装置が必要になります。特別な電源装置を購入するか自作になりますが,図9のように理振備品の電源装置2台の直列接続という方法があります。
例:一般的な「15V5A電源装置」なら,2台で「30V5A電源」になります。

  元勤務先の研修講座では24V5A電源装置を2台直列接続して50V5A電源とし,18mの電線を用意しました。ただ,高電圧,大電流は,スイッチの耐性とともに感電の危険性も高まります。
  また,すべての参加者が同時に実験に参加する必要もなく,長くても取り扱い易い9m(24V5A電源)で十分だと思います。これより長いと,アンプを繋いだ時,音の電流が流れにくいという問題も生じます。

  最近増えてきた電子式の電圧可変タイプの中には使えないものもあります。これは,説明書で確認できます。トランス巻線をスライド接触させて電圧を可変する従来タイプでは問題ありません。

「安価な電源装置」
  安価な電源装置が増えています。アマチュア無線のモービルトランシーバー用電源装置などで,例えば,DC6〜15V可変(連続最大出力4A/13.8V時),電圧・電流計付き(切り替え式)…というスペックでも1万円以下で購入できるようです。ただ,スイッチング電源ですから,理振の一般的な電源とは異なり,AC出力はありません。
  電圧可変はできませんが,スイッチング電源ユニット(少し工作が必要)やACアダプターなども利用できます(最も安価)。


「電線の温度上昇」
  通電するとS-cableが少し暖かくなり,大電流が流れていることを実感できます。冬季でもしなやかで扱いやすくなり,ねじれぐせも解消できます。
  小学校でのジュール熱の学習にも利用できます。教科書では電熱線を用いますが「電熱線だから発熱」となり,電流と発熱の関係が一致しません。穏やかな発熱なので火傷の心配がなく,手の中で体感出来る良さもあります。
  標準仕様を4Aとしたのは,電源装置に余裕を持たせただけでなく,発熱による事故防止もあります。ジュール熱学習では5A近くまで流すと顕著な結果を得られますが,長時間通電は避けてください。



3.備考
  「S-cable」を1本の大電流電線として扱い,輪を作ってコイルにすると容易にパワーアップします(コイルにする価値がわあかります)。
  しかし,もともと巨大なコイル構造であり,偽っているような後ろめたさもあります。そこで,授業の後で,この秘密の仕掛けの種明かしをしてほしいのです。多くの生徒の目がもっと輝くはずです。実際に,夏休みの自由研究で自作した生徒があり,嬉しかったです。なお,このようにずらして接続した電線を「ループコイル」と呼ぶそうです。また,すべての回路は一周のコイルとも解釈できます。
※贈呈版は「S-cable結線」の見える化を意図し,蓋を簡単に開けられるようになっています。その関係で,配線もわかり易くきれいにしています。

・平成4年度東レ理科教育賞(第24回)を受賞しました。(平成4年度東レ理科教育賞授賞作品集[第24回]P17〜20参照)

審査委員長である「伏見康治先生(元日本学術会議会長)」から,授賞式でお言葉をいただきました。
「極めて見事な工夫であります。」
ありがとうございます。心から感謝します。
財団法人,東レ科学振興会,第33回事業報告書(平成4年度)参照

「東レ科学振興会」で,実験ビデオ『大電流電線による電磁気の実験』の借用ができます。

・この電線を最も早く展示品にしていただいたのは「名古屋市科学館」で,次が「群馬県生涯学習センター(少年科学館−科学展示室−)」です。
「科学技術館」にも設置されました。科学技術館は「第一回青少年のための科学の祭典」が開催され,出展した「S-cable」が広く認知されるきっかけとなりました。声をかけていただいた後藤道夫先生には心から感謝しています。
・平成18年度には,「京都市青少年科学センター」でも展示品になりました。



4.「S-cable」見本,および詳細マニュアル「パスカル電線(S-cable)活用術」贈呈
  「S-cable」付属のマニュアルは重要です。webのブラウザでの表現は限られ,改訂も手間で,十分な解説ができません。

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「先生または教育関係者の方」
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