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実験

温度差(おんどさ)を利用(りよう)して発電(はつでん)!? 温度(おんど)と電気(でんき)の実験(じっけん)

実験 温度差(おんどさ)を利用(りよう)して発電(はつでん)!? 温度(おんど)と電気(でんき)の実験(じっけん)

「ペルチェ素子(そし)」は、電流(でんりゅう)を流(なが)すと温度(おんど)が変(か)わるふしぎな装置(そうち)。電気(でんき)を通(とお)すと冷(つめ)たくなるネッククーラーや小型(こがた)の冷温(れいおん)庫(こ)など、身近(みぢか)なモノにも使(つか)われているんだ。このペルチェ素子(そし)を使(つか)って、温度差(おんどさ)を利用(りよう)した発電(はつでん)実験(じっけん)をしてみよう!

実験(じっけん)のようすを動画(どうが)でチェック!

この実験(じっけん)のやり方(かた)やようすは動画(どうが)でも紹介(しょうかい)しているよ。チェックしてみてね!

 

用意(ようい)するもの

・ペルチェ素子(そし)(今回(こんかい)使用(しよう)したのは電圧(でんあつ)12V・40×40mmのもの) ※矢印(やじるし)で示(しめ)しているもの
・手回(てまわ)し発電機(はつでんき)
・みのむしクリップ付(つ)きコード(2本(ほん))
・冷(ひ)やした保冷(ほれい)剤(ざい)
・ソーラーモーターとプロペラ

ペルチェ素子(そし)はオンラインショップなどで購入(こうにゅう)できる。

【実験(じっけん)その①】ペルチェ素子(そし)に電気(でんき)を送(おく)ってみよう!

ペルチェ素子(そし)に手回(てまわ)し発電機(はつでんき)をつないで電流(でんりゅう)を流(なが)すと、本当(ほんとう)に温度(おんど)が変(か)わるのか実験(じっけん)してみよう。二人(ふたり)でやると実験(じっけん)しやすいよ。

[1]

みのむしクリップ付(つ)きコードで、下(した)の写真(しゃしん)のようにペルチェ素子(そし)のコードと手回(てまわ)し発電機(はつでんき)のコードをつなぐ。念(ねん)のため、つないだ部分(ぶぶん)どうしがふれないように、離(はな)しておく。

[2]

一人(ひとり)が、ペルチェ素子(そし)を下(した)の写真(しゃしん)のように指先(ゆびさき)ではさんで持(も)つ。

[3]

もう一人(ひとり)が、手回(てまわ)し発電機(はつでんき)を回(まわ)して発電(はつでん)し、ペルチェ素子(そし)に電流(でんりゅう)を流(なが)すと――

[4]

見(み)た目(め)には変化(へんか)がないようだけど……ペルチェ素子(そし)の片方(かたほう)の面(めん)が冷(つめ)たくなった! そして、反対(はんたい)の面(めん)は温(あたた)かくなったよ。

[5]

そのまま、手回(てまわ)し発電機(はつでんき)を逆(ぎゃく)に回(まわ)してみよう。
手回(てまわ)し発電機(はつでんき)を逆(ぎゃく)に回(まわ)すと、発電(はつでん)する電流(でんりゅう)の向(む)きが逆(ぎゃく)になる。ペルチェ素子(そし)の温度(おんど)の変化(へんか)はどうなるかな?

どうしてこうなるの?

1834年(ねん)、フランスの物理(ぶつり)学者(がくしゃ)ペルチェが、2種類(しゅるい)の金属(きんぞく)を合(あ)わせた部分(ぶぶん)に電流(でんりゅう)を流(なが)すとその部分(ぶぶん)に吸熱(きゅうねつ)と放熱(ほうねつ)が発生(はっせい)する「ペルチェ効果(こうか)」を発見(はっけん)したよ。このペルチェ効果(こうか)を使(つか)って、電流(でんりゅう)を流(なが)すと温度差(おんどさ)ができるようにしたのがペルチェ素子(そし)なんだ。

今回(こんかい)実験(じっけん)に使用(しよう)したペルチェ素子(そし)は、2種類(しゅるい)の金属(きんぞく)のかわりに、2種類(しゅるい)の半導体(はんどうたい)というものを使(つか)っている。

【実験(じっけん)その②】ペルチェ素子(そし)で発電(はつでん)してみよう!

実験(じっけん)①とは逆(ぎゃく)に、このペルチェ素子(そし)を温(あたた)めたり冷(ひ)やしたりすると、どうなるだろう?

[1]

ソーラーモーターの軸(じく)にプロペラをつける。

[2]

ソーラーモーターとペルチェ素子(そし)をみのむしクリップ付(つ)きコードでつなぐ。

[3]

ペルチェ素子(そし)を冷(ひ)やした保冷(ほれい)剤(ざい)の上(うえ)にのせ、ペルチェ素子(そし)の下(した)の面(めん)を冷(ひ)やす。

[4]

ペルチェ素子(そし)の上(うえ)の面(めん)に手(て)の平(ひら)を押(お)し当(あ)てて、温(あたた)めると――

[5]

ソーラーモーターにつけたプロペラが回転(かいてん)した! ペルチェ素子(そし)の片面(かためん)を冷(ひ)やし、逆(ぎゃく)側(がわ)の面(めん)を温(あたた)めたら、電気(でんき)が発生(はっせい)したんだね!

どうしてこうなるの?

エネルギーは「仕事(しごと)をすることができる能力(のうりょく)」のことで、ものを動(うご)かしたり、ものを温(あたた)めたりできるのは、エネルギーが変換(へんかん)されるからなんだ。
ペルチェ素子(そし)に手回(てまわ)し発電機(はつでんき)をつないで電気(でんき)を送(おく)ったら、放熱(ほうねつ)したり吸熱(きゅうねつ)したりした。このことから、電気(でんき)エネルギーが熱(ねつ)エネルギーになることがわかったね。そして今度(こんど)は、逆(ぎゃく)に、ペルチェ素子(そし)を冷(ひ)やしたり温(あたた)めたりすることで電気(でんき)を発生(はっせい)させることもできた。このことから、熱(ねつ)エネルギーが電気(でんき)エネルギーになることもわかったね。

この実験(じっけん)では、さらに、発電(はつでん)した電気(でんき)でソーラーモーターを回(まわ)すこともできた。つまり、電気(でんき)エネルギーが運動(うんどう)エネルギーに変(か)わったんだ。

発展(はってん)

【その1】ペルチェ素子(そし)を使(つか)って発電(はつでん)できる場所(ばしょ)は?

ペルチェ素子(そし)の両面(りょうめん)に温度(おんど)の「差(さ)」をつけると、電気(でんき)が発生(はっせい)することがわかったね。この性質(せいしつ)を利用(りよう)して発電(はつでん)できる、「温」と「冷」が両方(りょうほう)ある場所(ばしょ)はどこだろう?
そういう場所(ばしょ)を見(み)つけることができれば、発電(はつでん)に利用(りよう)できるかもしれないね。

【その2】エネルギーの変換(へんかん)について調(しら)べてみよう!

エネルギーは、熱(ねつ)エネルギーや運動(うんどう)エネルギー、光(ひかり)エネルギーや電気(でんき)エネルギーなど、さまざまな形に変化(へんか)することがわかったけど、この性質(せいしつ)を利用(りよう)して発電(はつでん)しているものにはどのようなものがあるかな? いろいろな発電(はつでん)方法(ほうほう)を調(しら)べてみよう。
たとえば、駅(えき)がたくさんの人(ひと)で混雑(こんざつ)していることを逆(ぎゃく)に利用(りよう)し、床(ゆか)をふむ振動(しんどう)で発電(はつでん)する「床(ゆか)発電(はつでん)」の実験(じっけん)が行(おこな)われたことがあるよ。

身近(みぢか)なエネルギーについて考(かんが)えてみよう

今(いま)、わたしたちはエネルギーを得(え)るために、天然(てんねん)ガスや石炭(せきたん)、石油(せきゆ)などを使(つか)っているけど、そのことが、地球(ちきゅう)の環境(かんきょう)に大(おお)きな変化(へんか)をもたらしてもいるんだ。これからは、環境(かんきょう)にあたえる影響(えいきょう)をできるだけ減(へ)らしながら、安定(あんてい)して利用(りよう)し続(つづ)けられるエネルギー源(げん)や利用(りよう)の方法(ほうほう)をもっと考(かんが)えていかなければいけない。
たとえば、温度差(おんどさ)は自然(しぜん)にも発生(はっせい)するものなので、ペルチェ素子(そし)のように熱(ねつ)エネルギーを電気(でんき)エネルギーに変換(へんかん)できる装置(そうち)を利用(りよう)すれば、自然(しぜん)にあるエネルギーを活用(かつよう)できるはずだ。このほかにも太陽(たいよう)や風(かぜ)などの自然(しぜん)の力(ちから)を利用(りよう)したエネルギーは「再生(さいせい)可能(かのう)エネルギー」といって、地球(ちきゅう)の環境(かんきょう)にあたえる影響(えいきょう)が小(ちい)さく、近年(きんねん)とても注目(ちゅうもく)されているよ。
ほかにもこうした自然(しぜん)のエネルギーを利用(りよう)できるものがないか、調(しら)べたり考(かんが)えたりしよう!

まとめ方(かた)

この自由(じゆう)研究(けんきゅう)に興味(きょうみ)をもったきっかけや実験(じっけん)方法(ほうほう)、結果(けっか)、わかったこと・調(しら)べたこと・工夫(くふう)したことなどをまとめよう。
また、ペルチェ素子(そし)を利用(りよう)している身近(みぢか)なモノについて調(しら)べたり、ペルチェ素子(そし)が利用(りよう)できそうな場所(ばしょ)やモノについて考(かんが)えたりしたことなどをまとめてみてもいいね。

<参考(さんこう)>

エネルギーについてもっとくわしく知(し)りたい場合(ばあい)は、以下(いか)のサイトを参考(さんこう)にしてみてね。ワークシートもダウンロードできるよ。

■SDGsエネルギー学習(がくしゅう)推進(すいしん)ベースキャンプ

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