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04.電気と化学―電池と豆電球のつなぎ方と電流・電圧の測り方―

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山形大学  工学部  化学・バイオ工学科  仁科辰夫

エネルギー化学 Web Class syllabus 53209 📆 🕥10:30- 🕛12:00 仮想教室中示範B C1 zero zoom 講義ノート

キカイダーには 良心回路が装備されていたというが、どんな回路だったのだろうか?


  1 デジタル式回路計(テスター)による 電圧の測定の仕方
化学実験Ⅰ エネルギー化学 1 )


水を電気を使わらずに酸素と水素に分解するとしたら、どのような方法が考えられるか?またそのときどのような課題を解決しなければならないか?


電気用図記号と回路図

電気用図記号と回路図の書き方
Fig 電池を使った単純な回路(豆電球の点灯)
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電気回路図の記号は電気用図記号はJISで定められており、考えたところでもムダなので、読み書きを練習して慣れるしかありません。

電気用図記号と回路図の書き方を復習しておこう。

✏ 平常演習 Web Class

電気用図記号や配線用図記号を描いてみよう


  2 銅クーロメーターによる 電気量の測定

物質量n〔mol〕と 電気量n〔C〕 は比例します。これを ファラデーの電気分解の法則と言います。 比例定数はファラデー定数F=96485.3415〔C/mol〕です。


銅クーロメータの実験の回路図を電気用図面を使って書いてみよう。


回路計・オシロスコープの基礎知識

デジタルマルチメータの使い方 ( 検索
電流

回路計・オシロスコープの基礎知識

回路計の選び方。アナログ式回路計とディジタル式回路計があります。 入力インピーダンスはできるだけ高いものをを選びましょう。 ディジタル式回路計の例です。電圧、電流、電気抵抗、周波数などが測定できます。 電流計として使うときは、回路に直列に挿入して使うのが原則ですが、 初心者が回路に並列に入れて破損してしまうことが多いせいか、低価格帯のディジタル式回路計では電流測定機能のついていないものもありますので、購入時は注意しましょう。


11円電池

コイン電池 を作って、そのの電圧を測ってみよう。

  3 11円電池(人間電池)
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04, 07 エネルギー化学 01.化学・バイオ工学実験 電池の歴史 CMC1210 G1217 ST1224 JK0216 HJ0412

てのひらに、10円と1円をのせて、電圧を測ると、0ではありません。 これが 電池の起電力です。電流が流れていないにもかかわらず電圧があるのです。 電池では、電流と電圧が、そのまま比例しません。 電池は単なる電気抵抗ではないのです。


回路計で測れる物理量

  1 回路計で測れる物理量
物理量 単位 備考
電圧 V V 乾電池の開回路電圧は1.65V。 乾電池の公称電圧は1.5Vダニエル電池起電力は、1.1V 水の理論分解電圧は1.23V。
電流 I A 豆電球の電流は 0.5A。 ぽちっと光ったLEDの電流は1mA。
I= Q t
時間 t s
電気量 Q C Q = I t
電気エネルギーは電気量×電圧
電気抵抗 R Ω R = V I , V = R I
静電容量 C F C = Q V , V = 1 C I t
インダクタンス L H L = V I t , V = L I t
数式 電気にまつわる量

電気エネルギー

  4 電気エネルギー
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エネルギー〔Wh〕=示強変数×示量変数

電気エネルギー(電力量)〔Wh〕=電圧〔V〕× 電気量〔Ah〕

電気エネルギー〔Wh〕=電圧〔V〕× 電流〔A〕×時間〔h〕

電気エネルギー〔Wh〕=電力〔W〕×時間〔h〕


ポテンショメーター

  5 電位差計(ポテンショメーター)の原理(電池の起電力)
2015  小野寺伸也
  1. 鮫島実三郎. 物理化学実験法. 裳華房(1927初版),p.266
  2. 吉田卯三郎, 武居文助共著. 物理学実験. 三省堂(1940初版),p.215
  3. 田 薫、原納 淑郎、鈴木 啓三. 応用物理化学II. 培風館(1985).p.191

米沢高等工業学校本館電気・通信科展示室(教室)電位差計があります。

電池の起電力を簡単に測るには、ディジタル回路計を使う方法があります。 ただその場合、ディジタル回路計の入力インピーダンスによっては測定誤差が大きくなるので、 電極電位を測定するには電位差計を使います。 電位差計は原理的にもっとも正しいのですが、現在では電子回路を使って同等の性能を示すエレクトロメーターをうのが一般的です。エレクトロメーターは、ポテンショスタットの機能として実装されていることが多いです。

ピカッとさいえんす 「 宇宙へ行った電池 」

山下省蔵, 工業技術基礎 ,実教出版 , 直流・交流回路の基礎知識 , p.111, (2013).

時間とともに向きと大きさが変わる電流を交流といいます。交流の大きさを表す方法にはピークトゥピークや実効値があります。 回路計に表示される交流電圧は実効値です。

交流の大きさ

コンセントの電圧を測ってみよう

電気回路に出てくる受動素子の種類は電気抵抗(レジスタンス)、静電容量(キャパシタンス)、インダクタンスの三種類しかありません。 これらを組み合わせた交流の流れにくさを複素数で表したのがインピーダンスです。

オシロスコープで交流の振幅や位相角を測定します。 信号の電位の基準を示すシグナルグラウンドと安全のためのアースは違います。ノイズの原因となるのでそれらを不用意に接続してはいけません。

交流インピーダンス法による電池やキャパシタの評価 オシロ keisan:正弦波 ピカッとさいえんす

直流・交流回路の基礎知識

その回路図をみたとたん、斉藤は顔をそむけた。

「オレ、電気回路って苦手なんだよな」

そんな斉藤をたしなめながら、鈴木がひとつひとつ丁寧に回路図を説明してゆく。

「どこで苦手意識を刷り込まれたんだかしらんけどな、電気回路の記号とか化学式とかって文字といっしょで、コミニュケーションツールだよ。 便利さを実感するまで、もうちょい辛抱してつきあえや。慣れだよ、慣れ。 」

斉藤はめんどくさそうに鈴木の言葉に耳を傾ける。

「この線は、導線。電気の流れる道路だ。必ず一周してもとに戻る。だから回る路と書いて回路だ。途中で途切れることはない。・・・」

電池、スイッチ、豆電球を銅線で接続した図を実体配線図といいます。このように電流が流れる道筋を電気回路または回路と言います。 実体配線図を電気用図記号で表したものを回路図といいます。 電気用図記号はJISに定められています。

電池の記号は電池(セル)を図案化したものです。電解実験では槽電圧と通電電流を測定しましょう。

直列につないだ合成抵抗はそれぞれの抵抗の代数和になります。 キルヒホッフの法則では、起電力の和は電圧降下の和になります。

電気抵抗の概念図 ( ©2016  赤間未行 ,C1 Lab.
交流インピーダンス法による電池やキャパシタの評価
  1. 山下省蔵, 工業技術基礎 , 実教出版 , 直流・交流回路の基礎知識 , p.111, (2013).

物理量

化学実習の基本操作の基礎知識

廃液は保存します。


発展: エネルギー変換化学特論 交流インピーダンス法による電池やキャパシタの評価
次回:セルの組立―電池式の書き方と電極の呼び方―
©2022 Kazuhiro Tachibana

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エネルギー化学

参考文献



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