見えない電気を「見える化」しよう！手計算と最新センサーで挑むコンデンサーの放電実験
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
私たちの生活に欠かせないスマートフォンや家電製品。その中には、電気を一時的に蓄えて放電する「コンデンサー」という電子部品が必ずと言っていいほど入っています。でも、目に見えない電気をどうやって蓄え、どれくらいの量が入っているのかを知るのは難しいですよね。
今回は、そんな「電気の貯蔵庫」の正体を暴くべく、中学生や一般の方でも楽しめる「コンデンサーの充電・放電実験」の様子をご紹介します。数学の「積分」が、現実の物理現象とリンクする感動の瞬間をぜひご覧ください。
実験の準備：電気の「バケツ」をいっぱいにしよう
今回の実験の目的は、コンデンサーに蓄えられた電気の量を手計算で「積分（積み上げ）」し、そのコンデンサーの「電気容量（C）」を算出することです。
まず、電源装置を使ってコンデンサーを5V（ボルト）でフル充電します。コンデンサーはコップやバケツのようなもので、どれだけ電気を溜められるかが決まっています。今回は、放電の様子をゆっくり観察するために、51Ω（オーム）の抵抗を回路に組み込みました。
電源装置で充電をしました
デジタルの力を活用！iPadで時間を止める
昔の実験では、目まぐるしく動く電流計の針を必死に目で追ってメモしていましたが、今はiPadの動画撮影機能が大活躍します。
放電を開始する瞬間から5分間の動画を撮影し、後でじっくり編集します。つないだ瞬間を「0秒」に設定（トリミング）することで、精密なデータ収集が可能になるのです。
撮影後に動画編集をして、スタートの時間をそろえる。
動画再生をおしてから、停止をして、下で時間を調整していくと、10秒毎の電流計を落ち着いて読むことができる。
動画なら、一時停止をしながら10秒ごとの電流値を落ち着いて読み取れます。まさに「時間を止める魔法」ですね。
「積分」は積み木遊び？データをグラフにしよう
読み取ったデータは、手計算でデータ解析を行っていきます。ここで登場するのが「積分」という考え方です。難しい数学の公式のように思えますが、要するに「流れた電流を時間ごとに細かく足し合わせていく」という作業です。
5分間のデータをグラフにまとめると、流れる電流が時間とともに減っていく、美しい放電曲線が現れました。
生徒たちは、自分の手を動かして計算を積み上げることで、「数学で習った積分が、今流れている電気の総量を求めているんだ！」という実感を持ち、とても楽しそうに取り組んでいました。
驚きの結果：1F（ファラド）の壁
計算の結果、多くの班が1F（ファラド）にかなり近い値を算出しました。1Fというのは、巨大な容量です。一般的な電子回路で使われるコンデンサーは「マイクロファラド（100万分の1F）」単位が多いので、今回の実験で扱ったコンデンサーがいかに「巨大なバケツ」であったかがわかります。
センサーで見る「電気の減り方」
最後に、最新の電流センサーを使った演示実験も行いました。手計算で苦労して出したグラフが、画面上にリアルタイムで描かれていきます。
リアルタイムで電流の減っていく様子が確認できるところが良いところですね。生徒も歓声を上げていました。さらには積分もすぐにできるのも良いところです。範囲指定をすると、その範囲の電流の面積を全て足し合わせてくれます。
コンデンサーに溜まっている電気量がすぐにわかって面白いですよね。
ハイテクなセンサーを使えば一瞬で終わる計算を、あえて「手計算」で行ったからこそ、センサーが示す数値の意味が深く理解できるのです。見えない電気が数値として可視化される瞬間の感動は、理科実験の醍醐味ですね。
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