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令和6年10月15日 (火)
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👨‍🏫 ④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―

https://a.yamagata-u.ac.jp/amenity/~host/yz/c1/Education/EChem.asp
山形大学  工学部  化学・バイオ工学科  🔋 C1 📛 立花和宏

🔚 🏫 エネルギー化学 Web Class syllabus 53209 📆 時間割 🕥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 188 エネルギー化学 化学・バイオ工学実験 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
  2 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。

電池、結線、スイッチ、電球、 電気抵抗コンデンサ、 コイル、電圧計、電流計、検流計などは最低限覚えましょう。

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

電気用図記号や配線用図記号を描いてみよう


電気用図記号

  1 電気用図記号
名称 図記号 摘要 用途
抵抗器 電気抵抗 2 )
1次電池
2次電池
計器 * アスタリスクは、種類を表す文字または図記号に置き換える。 A、V、Wなど。 回路計
半導体ダイオード
発光ダイオード 🚂 照明 バックライト 通信 レーザープリンタ
pnpトランジスタ
npnトランジスタ
機器または装置 IC、LSI
オペアンプ 演算増幅器とも呼ばれる 3 )
NAND
JIS

JIS C による 4 )


抵抗器のカラーコード

  2 抵抗器のカラーコード
色名 数字 10のべき数 許容差 (%)
0 1
茶色 1 10 ±1
2 102 ±2
黄赤 3 103 ±0.05
4 104
5 105 ±0.5
6 106 ±0.25
7 107 ±0.1
灰色 8 108
9 109

JIS.C に定められた固定抵抗器の表示には、 数字 で表示する方法と色帯の組み合わせで表示する方法があります 。 5 )

*

  3 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。

電気の標準は電流で定義されます 7 )

ファラデーの法則を使って電気量を測る装置を クーロメーターと言います 8 ) 。 銀クーロメーター 9 ) 、 1936年の レイリー型電流天秤 10 ) を経て、現在の電気基準になりました。 産業界では、実用上、ツェナダイオード電圧標準器と標準抵抗器を標準としています。


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

事故と災害

  3 事故と災害
危険性物質 ・有害物質 11 ) プラントの破損は、流出事故を起こします。 安全な液位を守りましょう。計測・ 制御システムの誤報かどうかは、現場で確認しましょう。
酸素欠乏
感電 直ちにスイッチや電源を切り、感電源から引き離す。電気を止められない場合には救助者が感電しないよう、絶縁体(乾いた棒 やゴム手袋、布など)を介して感電源から引き離す。 12 ) 13 )

事故は、正常な状態から外れた望ましくない出来事です。 事故によって人やモノに損害が生じた場合、災害といいます。 産業活動での災害は労働災害と言われます。 労働災害には、通勤途中の交通事故も含まれます 14 )

15 )


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

  4   回路計・オシロスコープ
装置 アナログ式 デジタル式
回路計 電圧、電流、抵抗を測定できる。 対象にテスト棒(プローブ)を接触させる。 量は指針の角度(長さ)に変換される。 目盛板があり、指針から値を読み取る。 目盛りは数字で表示される ( 指示値 ) 。 量は AD変換によりデジタル情報に変換される。 仕様 で、入力インピーダンス、 レンジ、桁数、 分解能、測定精度、確度などを確認すること *
オシロスコープ ブラウン管に 波形 を表示 液晶ディスプレイなどに 波形 を表示

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 16 ) 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。

感覚 センサー

オシロスコープ

  4 オシロスコープ
© K.Tachibana * , C1 Lab.

振幅 や周波数の測定には、 オシロスコープが便利です。 リサージュの観察もできます。


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。

  5 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。


回路計で測れる物理量

  5 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

回路計は、電圧、電流、電気抵抗などを測定できます 17 )

電気抵抗、静電容量、インダクタンスを実現する電子部品( 回路素子)として 抵抗器、コンデンサ(キャパシタ)、コイルがあります 18 )

数式 電気にまつわる量

回路計のスペック例

  6 回路計のスペック例 ( Linkman LDM81B )
項目
測定方法 重積分AD変換
寸法 145×75×36(D×W×H)
重量 約185g(電池含む)
直流電圧(DCV)
入力抵抗、 10MΩ 、40MΩ
交流電圧(ACV)
入力抵抗、 10MΩ 、40MΩ
直流電流(DCA)
測定最大電圧降下、 1.2V、100mV
交流電流(ACA)
測定最大電圧降下、 1.2V 、100mV
抵抗(Ω)
解放回路電圧 200mV以下 あらかじめ測定コードを短絡させ、down-lead時の抵抗を測ってください。 測定時には、表示される値からdown-lead時の抵抗を引いて計算してください。 それが正しい値になります。


電気エネルギー

  6 電気エネルギー
©2022 K.Tachibana

エネルギー〔 Wh(ワットアワー) 〕=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(アンペアアワー)

電気エネルギー〔Wh〕=電圧〔V〕× 電流〔 A(アンペア) 〕×時間〔h〕

電気エネルギー〔Wh〕=電力〔 W(ワット) 〕×時間〔h〕


ポテンショメーター

  7 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

標準電池 の電圧 E0 を抵抗線の 長さ l0 に換算し、被検電池の電圧の抵抗線の 長さ l との比から、被検電池の電圧 E測定 します。

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。

  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 19 )

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―
©2024 Kazuhiro Tachibana

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エネルギー化学
q71
エネルギー化学
✍ 平常演習
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管理運用 山形大学 学術情報基盤センター

2024年1月21日 松木健三名誉教授がご逝去されました。

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山形大学 工学部 化学・バイオ工学科 応用化学・化学工学コース
C1ラボラトリー ( 伊藤智博立花和宏 ) @ 米沢

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