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🌡️ 📆 令和6年3月28日
化学・バイオ工学実験 戻る 進む 別窓で開く

人間電池の直列つなぎと回路計

バイオ化学工学実験 (仮配属) files Syllabus 53763 📆 🎑 後期
山形大学  工学部  化学・バイオ工学科  🔋 C1 伊藤智博
815/180時間(6単位、15回)

3-3301ライブカメラ

  1 14 3-3301 ( C1 ) ライブカメラ

3-3308ライブカメラ

  2 3-3308 ( C1 ) ライブカメラ

8-1005ライブカメラ

  3 8-1005 ( C1 ) ライブカメラ

安全 第一

高温で溶かす、劇薬で化学反応を起こす……、そんな工場のイメージはとても事故が多そうな感じがしますが、実はそうでもありません 3 )

研究開発現場、製造現場、輸送時、製品、廃棄物、食……と安全は多岐にわたる 4 )

各工場では、安全第一の標語をかかげ、生産能率より安全を優先させ、労働災害の防止につとめながら生産活動にあたたっている 5 )

ヒヤリハット活動、KY活動、指さし呼称、やりきり厳守 6 )

安全の基本 7 )

緊急時の対応

火災 爆発 漏洩 地震 事故(けが、急病)

実験廃棄物の処理

  1 米沢キャンパス から排出される 実験廃棄物
分類 対象物
有害ゴミ 蛍光管 水銀 を含む電池 など
実験廃棄物 放射性物質 PCB 石綿(アスベスト) 発火性引火性物質 アルカリ金属 爆発性物質 健康障害を引き起こす化学物質
廃液 (a)無機系廃液 (b)写真廃液(現像液、定着液) (c)有機系廃液 (d)難燃性有機廃液(含ハロゲン) (e)廃油(機械油、植物油など) (f)シリコンオイル
固形廃棄物 溶剤に溶けるものは、無機・有機廃液とする。
産業廃棄物 試薬瓶・缶 廃プラスティック類 シリカゲル・アルミナ ガラス器具(一斗缶) 金属片・ワイヤー 電線 など 病原性徴生物による汚染物質 ガラス器具は、一斗缶に入れる ほかは透明ビニールの袋で研究室を記名 4号館北東玄関脇、月末金曜日
「安全マニュアル」
https://www.yz.yamagata-u.ac.jp/jimu/kikaku/inside/dl5.html
https://www.yz.yamagata-u.ac.jp/current/attention/
「実験廃棄物の適切な処理および廃棄のためのマニュアル」

  2 緊急時
火災 爆発 漏洩 地震 事故(けが、急病) 📥 危機管理マニュアル

卒業研究の準備です。


配属調書に記入、署名の上、3部コピーを作成し、それぞれの教職員まで提出をお願いします。 化学英語Ⅱでも取り上げますが、知的財産などの取り扱いのためご協力をお願いします。

防災と安全-避難訓練-

羽越水害

羽越水害 直江石堤

東日本大震災


整理整頓とごみ捨て

  3 米沢キャンパス から排出される 事業系ごみ
分類 対象物
資源物 可燃リサイクルごみ コピー用紙・新聞紙・ダンボール・雑誌・発泡スチロール 金曜日のみ 学内限定
食品廃棄物
木くず 伐採枝、木製家具
一般廃棄物 🏞 可燃ごみ 生ごみ類、紙くず類
🏞 不燃性ごみ 金属類(針金、スプレー缶など)/小型の電気製品(アイロンなど)/ ガラス類(コップ、ガラスなど)/CD、DVDなどの磁気ディスク/陶磁器、傘、ペン類、ライター
🏞 粗大ごみ 机、椅子、書棚、キャビネット、ロッカー等の 什器類
🏞 粗大ごみ 🚂 パソコンに係る周辺機器(ディスプレイ等)、実験装置、家電リサイクル法対象外の電気機器(電気ストーブ等)
🏞 粗大ごみ 🚂 パソコン(ハードディスク内蔵のもの)、 ハードディスク、家電リサイクル法対象物( テレビエアコン * ・洗濯機・冷蔵庫)
産業廃棄物 実験廃棄物 隔週金曜日

不要なものを捨てる 赤札作戦は、5S活動の第一歩。

民間では、不要図書の ブック・エコなどのサービスも。


データとりの基礎

データとは、 論文報告書 の論拠となる共有できる 情報です。

データ(data) : データム(datum)の複数形で、「論拠・ 基礎資料実験や観察などによって得られた事実や科学的 数値」などを意味する。「与える」意のラテン語ダーレ(dare)の受身形からでたもの。
『大日本百科事典』(小学館, 1980) *

デジタル回路計で、 11円電池 の起電力を測ろうとすると表示が一定になりません。 このようなとき、11円電池 の起電力をどうやって、データにすればよいでしょうか?

アナログ回路計では、目盛りのところを人が読みます。読み取り 誤差になります。 デジタル回路系では、一定時間ごとに AD変換された数値が直接表示されます。これが数値のばらつきになります。

輪講Ⅱ
  1. 準備
  2. ガイダンスとテスター(回路計)の使い方とメンテナンス
  3. 定電圧源(電圧リファレンス)とアッテネータ
  4. 定電圧源(電圧リファレンス)とボルテージフォロワー(Follower)
  5. 定電流源とカレントフォロア

  4 11円電池(人間電池)
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電池式 アノード (-) 🪙一円玉 |🖐人間 |🪙十円玉 (+) カソード

てのひらに、10円と1円をのせれば、 電気化学の三要素 がそろって、電池になります。 デジタル式回路計で、 電圧を測定すると、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。 化学反応が電気を起こしているのです。 11円電池は、 ガルバニ電池と言っていいでしょう。


  4 回路計で測れる物理量
物理量 単位 備考
電圧 V V 乾電池開回路電圧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。 電流密度=電流÷電極面積
I= Q t
時間 t s
電気量 Q C Q = I t
🖱 電気エネルギー 電気量×電圧
電気抵抗 R Ω
R = V I , V = R I
静電容量 C F ( ファラッド )
C = Q V , V = 1 C I t
インダクタンス L H ( ヘンリー )
L = V I t , V = L I t
数式 電気にまつわる量

緒言

C1物質化学工学実験Ⅳ

準備

資材の調達をしなくてはなりません。 ホームセンター(コメリ、ムサシ)、百均(ダイソー、セリア)、スーパー(ヤマザワ、ベニマル、マックスバリュ)、コンビニ(ローソン、ファミマ、セブン)など。 モノタロウ、秋月電子、アズワン、など。 オリックスなど。

学生実験4の注文済みの部品です. この他に,REF02CPZ(analogdeveices)を20個も発注済みです.  1.【P-08984】バッテリースナップ(電池スナップ・Bスナップ) 縦型
 2.【R-03351】金属皮膜抵抗 1/4W100Ω (100本入)
 3.【P-00288】ブレッドボード・ジャンパーワイヤ 14種類×10本
 4.【P-01991】ブレッドボード EIC?1202B
 5.【B-03257】006Pアルカリ電池(積層電池) 9V ゴールデンパワー
 6.【I-06716】オペアンプ OP275GP

ポテンショガルバノスタットに使う部品

ご覧の環境では、object要素がサポートされていないようです。外部文書を別ウィンドウで開いてください

ガイダンスとテスター(回路計)の使い方とメンテナンス

ディジタル式回路計の例
(出典:エー・アンド・デイ)
デジタルマルチメーター 電気のまめ知識(電気の用語集) 電気化学 電気用図記号と回路図

回路計の管理責任者の設定。 ホームセンター見学。 会計処理の流れについて コイン電池の作成と電圧の確認 電池の電圧の測定 豆電球の個数を横軸、縦軸に電池の電圧 内部抵抗の算出。 pH試験紙にクリップをつなぐ。 pH試験紙を湿らせる。 くりっぷに通電する。 ブレッドボード シャント抵抗を使った電圧計による電流の測定

ブレッドボード 1000~2000円のキット(出典:サンハヤトHP)
ブレッドボードを使った回路

化学英語Ⅱ報告とEAGLEによる回路図の作成とウェブ公開

定電圧源(電圧リファレンス)とアッテネータ

ブレットボードとICを使った電圧基準の作成、標準電池との比較、電圧降下の確認などを行います。

物事を客観的に表現するには、ある単位の何倍かを示します。 単位は人が決めます。 物理量ごとに単位があります。 電圧にも単位があります。昔は、 標準電池 が単位でした。 電池の起電力の単元で勉強した標準電池を覚えていますか? ウエストン電池と呼ばれることもあります。 その後、変遷を経て単位の基準は変わりましたが、今では電子回路を使って簡単に1Vを手に入れることができます。 一定の基準電圧を発生する仮想的な電源を定電圧源と言います。 では、基準電圧を生成するICを使って、実際に電圧を手に入れてみましょう。 基準電圧源のIC(REF02CPZ)は電源の極性を逆につなぐと一瞬で壊れます. 電源部分にダイオードを取り付けて保護してください.

部品リスト

表.一定電圧回路の記号と値・型番のリスト
記号 値 or 型番 メーカ
C1 0.1u
C2 0.1u
D1 1SS270A 日立
D2 1SS270A 日立
G2 9V型電池
G3 9V型電池
IC1 REF02CPZピン配置図 アナログデバイセズ (電源を逆に接続するとあっというまに破損するので極性に注意!)
R1 1k
R2 1k
TP1 測定点
TP2 測定点

回路の作成

下記の回路図を元に,一定圧回路を作成してください. 回路図の記号が分からないときは,工業技術基礎の巻末 ⑤ページに,おもな電気用図記号を参考に調べてください.

一定圧回路の実験

部品配置を設計するときは、レイアウト用紙に ブレッドボードの数字と英字を書き込んで、電気用図記号を書き込んでゆくとよいでしょう。 レイアウト用紙の格子の交差点がブレットボードの穴に対応するように電気用図記号を書きます。 ブレッドボードは、同じ数字ごとに裏側で接続されているので、DIP(デュアルインパッケージ)型のIC(集積回路)を配置するときは、中央の溝をまたぐように配置します。

GND(グラウンド)の記号は、回路図では離れて書いてあっても、実際には全て一箇所に接続します。 電源の+や電源の―も、回路図では離れて書いてあっても、実際には全て一箇所に接続します。

シグナルグラウンドとアースは違います。シグナルグラウンドは、回路全体の電位の基準点を示すものでグラウンドと略されます。 BNCジャックの外側やRCAジャックの外側などがグラウンドです。 それに対してアースはコンセントのコールド側を意味するもので、感電事故の防止のために大地に接続するものです。 シグナルグラウンドとアースを混同すると、ノイズが多くなったりします。

グラウンドが回路全体でひとつに統一されている回路をシングルエンドと言います。

部品配置の設計 ©2018  赤間未行

失敗事例

  • ICの足がしっかり刺さってなくて動作しなかった.ICの足はしっかり差しましょう.
  • ICのピン番号を間違ってさしていた.ICのピン番号は数え間違えないようにしましょう.

一定の電圧を手に入れたら、次は抵抗を使って電圧を分割してみましょう。 一定の電圧を手に入れたら、次は抵抗を使って電圧を分割してみましょう。キルヒホフの法則を思い出しましょう。物理をとってなかった人はここで、物理の復習です。直列につないだ抵抗を流れる電流は等しいので、オームの法則より、その抵抗の両端の電圧は抵抗の比に比例します。つまり、たとえば、直列につないだ抵抗の値の比が1:2ならば、その中点の電圧は2/3になるということです。これは基準の電圧を抵抗の比で任意に分割できることを意味します。

電圧の分割の実験

化学英語Ⅱ報告とEAGLEによる回路図の作成とウェブ公開

定電圧源(電圧リファレンス)とボルテージフォロワー(Follower)

ICを使って定電圧源を作ります。その電圧をボルテージフォロアを使って電流を取り出せるようにします。可変抵抗器をアッテネータとして使って、LEDの点灯電圧を確認します。

ボルテージフォロアはエレクトロメータとも呼ばれます。オペアンプに100%ネガティブフィードバックをかけることで、見掛けの入力インピーダンスを最大にします。 結果として入力電流が小さく、電圧降下による影響を少なくして電圧を測れるようになります。出力電流はオペアンプの電源から取り出すことになります。

準備

下記の表に定電圧源(電圧リファレンス)とボルテージフォロワー(Follower)で使用する主な部品リストおよび回路図上の記号との対応を示す. IC3のオペアンプのOP275GPは,データシートによるとオーディオ用に設計されている. オーディオ用であるがゆえに,ステレオでの使用に配慮して,OP275GPは,デュアルオペアンプのみが製造されているようである.

デュアルオペアンプというのは、ひとつのICパッケージにふたつのオペアンプ回路が内臓されていることを言います。 下記の回路では、ふたつのオペアンプ回路のうちひとつのオペアンプ回路(A)しか使わないので、オペアンプ(B)の端子は開放のままとなります。

表.定電圧源(電圧リファレンス)とボルテージフォロワー(Follower)の主な部品リスト
記号 値 or 型番 メーカ・数量など
C3 0.1u
C4 0.1u
D3 1SS270A 日立
D4 1SS270A 日立
G4 9V型電池
G5 9V型電池
IC2 REF02CPZ アナログデバイセズ
IC3 OP275GP アナログデバイセズ
R3 1K
TP3 測定点

オペアンプの電源は,OP275GPのピンアサインまたはデータシートを見ながらV+に9Vの電源,V-に-9Vの電源を繋いでください. 動作確認は,ボルテージフォロワーの入力ピンと出力ピンの電圧がほぼ同じになれることを確認してください.

電圧の分割の実験

オペアンプの電源をつながないと、オペアンプは動作しません。

オペアンプの電源接続
ボルテージフォロア
ボルテージフォロアの実体配線図
,可変抵抗器→バリアブル電源? コイン起電力の測定ボルテージフォロワーによる電圧源の電圧降下の改善 【化学英語II】 報告と3D CADとウェブ公開

カレントフォロワー(電流計)と電流源(定電圧源+金属皮膜抵抗(1%))

下記のカレンフォロアとガルバノスタットの実験の回路を作成してください. この回路図では,電流が5mAに制御されて,一定の電流が流れるようになっています. 回路が出来上がったら,セル(G1)に100Ωの抵抗をつないで,電流が一定になっていることを確認してください. 次に,セル(G1)に,電池式 クリップ| 0.5M CuSO4aq | クリップの電解セルを接続してください. セルの作成手順は,物質化学工学実験IIの銅めっきを参考に作ってください. セルを接続するケーブル(1m)は,0.5sqの ダブルコード(赤,黒)にミノムシクリップを半田づけするなどして,作成してください. メッキされた重さを図り,実際に流れた電流をキャリブレーション(校正)してください.

カレンフォロアとガルバノスタットの実験
カレントフォロアの実体配線図(学生実験,シングルオペアンプ)

ガルバノスタットとエレクトロメーターを使うと クロノポテンショメトリーの実験ができます。

アルミニウムのアノード酸化
電池式 Al| 0.1M H2SO4aq | Al 電極間距離 5mm 電極面積 1cm2 です. ,銅クーロメーター銀ぺーすと(銀塩化銀インク)を使った銀塩化銀電極の作成 http://www.bas.co.jp/1612.html

インストルメンツアンプを使った電流計を取り付けよう

計装増幅器(インストルメンテーションアンプ)は、入力段のボルテージフォロワーによってインピーダンスが高く、さらに、後段の差動増幅器によってノイズをキャンセルして正しい電圧が測定できる。 この回路では、インストルメンテーションアンプとして、INA103KPを使う。
記号
BT1
BT2
C7 0.1u
C8 0.1u
D7 1SS270A
D8 1SS270A
G8 CELL
IC6 REF02CPZ
IC7 OP275GP
IC8 INA103KP
R5 1k
R6 10
TP5
TP6
カレンフォロアのフィードバックを使ったガルバノスタットに電流計を取り付けた回路

可変抵抗器(ポテンショメータ)による可変制御型ガルバノスタット

可変抵抗器(ポテンショメータ)を使うことで、分圧回路(アッテネータ)をつかって分圧した電圧を可変できる。

可変抵抗器(ポテンショメータ)の写真
表.可変抵抗器(ポテンショメータ)による可変制御型ガルバノスタットの主な部品リスト
記号 値 or 型番 名称 購入元
BT9 1.5V×8 単三乾電池×8 ホームセンター
BT10 1.5V×8 単三乾電池×8 ホームセンター
C15 0.1u セラミックスコンデンサー 秋月電子
C16 0.1u セラミックスコンデンサー 秋月電子
D15 1SS270A ダイオード 秋月電子
D16 1SS270A ダイオード 秋月電子
G12 CELL 電気化学セル 自作
IC19 REF02CPZ 基準電源IC RSコンポーネンツ
IC20 INA103P 計装アンプ RSコンポーネンツ
IC21 OP275GP オペアンプ 秋月電子
R20 1k 金属皮膜抵抗 秋月電子
R21 10 金属皮膜抵抗 秋月電子
R22 10k 可変抵抗器(ポテンショメータ) RSコンポーネンツ
カレンフォロアとガルバノスタットに電流計を取り付けた回路

インストルメンツアンプの出力をフィードバックしたガルバノスタットの作成

下図に示すような回路を作成する.C17のコンデンサーは,フィードバック抵抗の発信防止に用いられ,セラミックコンデンサーを取り付ける. 静電容量の値は,チューニング段階であり,定まっていない. C17の静電容量は,小さい値であればあるほど,時定数τ=R17×C17に従って高速応答ができる. C17には,はじめは0.1 uFのセラミックコンデンサーをC17に用いて発信が停止することを確認して,徐々にその値を小さくして安定して動作する値を定めるのが望ましい. 本実験では時間の関係上,発信した場合は,0.1 uFのC17に接続して回路が安定して動作確認できたところまでを回路作成課題とする.

インストルメンツアンプの出力をフィードバックしたガルバノスタット回路
11月

電圧検出器とポテンショスタットの作成

3極式せるの作成 【輪講】ポテンショスタットの講義および3極式セル

下図に示すような回路を作成する. 動作の確認ではダミーセル(G10)として,1kΩの抵抗を繋いで確認をする.ダミーセルによる動作確認では,REFは,G10の+側に接続して,動作を確認する. G10のREFを接続したピンに対して,G10のグラウンド側(G10の+側)の電圧を測定して,R23で設定した電圧に,動作することを確認する.

ポテンショスタットの回路図

ウィーンブリッジ

7. 8. 【部品検索】 電圧基準 候補 AD586 DIP 5V±2mV ,最大36V(Supply) 45mA AD291 TO-92 4.096 V 〇REF02 (標準器っぽい<DIP) AD, MAXIM,TIから提供可能 AD, REF02CPZ http://jp.rs-online.com/web/p/voltage-references/5229076/ http://www.mouser.jp/ProductDetail/Analog-Devices/REF02CPZ/?qs=sGAEpiMZZMuBck1X%252b7j9fJ909qbP0fXHZVrvopOZUmE%3d LM336Z-5.0 (秋月電子),TO-92, 基準電圧5.0V 動作電圧 10V(データシート例),10mA 高精度抵抗0.1% 25ppm \120- 秋月電子 100, 1k, 10k OPアンプ候補 OP275 The output is capable of driving 600loads to 10 V rms while maintaining low distortion. THD + Noise at 3 V rms is a low 0.0006% Input offset voltage is guaranteed at 1 mV and is typically less than 200 μV. 2回路 200円/個

情報処理概論の単元 3D-CADを使った分子模型作成 でやったとおり、 3Dプリンターを使って、CADデータを出力することができます。

3Dプリンターによる造形の様子
電気抵抗とコンデンサの並列接続の概念図 (©赤間未行

卒業研究でも活用できるといいですね。

文部科学省学位規則 では、博士論文の質を担保するという観点からその公表について規定しているが、 博士論文に限らず、教育研究成果の質を担保し、文化の発展に貢献する姿勢が身についていることは 山形大学の ディプロマ・ポリシー"や 工学部の ディプロマ・ポリシー にも規定されていることである。 それらの趣旨にのっとり、受講の成果物の質を担保し、教育研究成果の電子化及びオープンアクセスの推進の観点から電子形態で公表する。 (立体形状による表現を含んでいたり著作権などの知的財産権や個人情報に関する制約がある場合を除く) 公表の許諾は自らのアップロードをもって同意したとみなすので、許諾できない場合は個別に相談すること。 山形大学学部規則には、 前項の成績の評価は,試験,報告書,論文,平常の成績等によって行う。とあり、教育研究成果とはこれらに含まれる文化の発展に資する情報をさす。


誰が言ったかではなく、何が正しいか。

正しさの追求。 「教授が言ったから」「先輩が言ったから」「政治家が言ったから」・・・ 誰が言ったって間違いは間違い。何が正しいかを追求し続ける姿勢こそ研究のあるべきカタチ。


エコ研究のすすめ



化学バイオ工学実験


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山形大学 データベースアメニティ研究所
〒992-8510 山形県米沢市城南4丁目3-16
3号館(物質化学工学科棟) 3-3301
准教授 伊藤智博
0238-26-3573
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