らくらく化学実験＿黒鉛　フィラメント　電子　希ガス

シャー芯ビンライト　　

　空きガラスビンが電球に？よく見ると、フィラメントは何とシャープペンシルの芯。確かに光っているけど、すぐに切れる。さて、もう少し長持ちさせるにはどんな素材が良いかと考える。そしてついにたどりついたものは....どうやら京都の竹がいいらしい。あれ、これってエジソンの電球発明ストーリー？
「手　順」
  1. 空きビンのフタにクギ等で穴を開け、ミノムシグリップ付きリード線２本を通して、紙とテープで固定する。
  2. 発光体としてシャープペンシル用芯を半分にしたものをセットする。
  3. ビンの底に、脱酸素剤か携帯カイロを入れ、３０分以上はそのままにしておく。
  4. 乾電池を４本直列につなぎ、観察する。

こんな簡単装置で事足りる。かなり熱が出るので注意が必要だ。

約１分発光したのち、激しい光を放ち切れる。
動　画：シャープペンシルの芯が光る　15秒：スイッチのon offをくり返してみた。はじめオレンジ色であったものが、次第に強く白い光を発するようになることがわかる。

「注意と工夫」
  1. 乾電池は新しいものを使用します。一回の通電でかなり、パワーを消費しますので、くり返し実験する場合は、スペアの電池を用意しておきましょう。
  2. シャープペンシルの芯は、黒鉛にプラスティックを混ぜて強度を高めています。ビンを使わずに、直接通電発光を試みる場合は、始めにプラスティックの燃焼によるガスが発生するので注意して下さい。もちろん、クリップや付属部分もかなり熱くなるので、こちらも十分注意が必要です。
  3. フィラメント部の燃焼をできるだけ防ぐため、ビン内の酸素は排除した方が良いでしょう。できれば、携帯カイロのセットは事前に済ませておきます。本格的なモデルでは、フィラメントの気化を防ぎ、高温を得やすい希ガス（アルゴンやクリプトン）を封入しますが、シャープペンシル用の芯を使う場合は、それほどのメリットはないと考えられます。もちろん、燃焼を防ぐという効果はありますが。
  4. 安定電源を用いて、芯の長さや太さによる持続時間の違いや、光り方の違いを表にまとめてみると面白いでしょう。特に、芯が焼き切れる寸前に細くなって、強く白い光を放つアーク放電は興味を引きます。
  5. シャープペンの芯の他の素材にもトライしてみる価値はあります。ただし完全に炭化させることが必要なので、ある程度時間的余裕のある場合や、クラブ活動で取組まれると良いでしょう。特に、本格的なエジソン電球を意識して、竹を素材にしたものが好まれています。金属パイプに炭素粉末を詰め込み、中心部に細竹を押し込んで、バーナーで数十分間蒸し焼きにする方法があります。
  6. スライダックで、直接板の上で実験（右上画像）してみました。ワニグチでは、芯をかみ切ってしまいやすいので、代わりに洗濯ばさみに銅板をセットしたものも開発（宮岡教諭）しました。これなら、様々な素材の適性をチェックできそうです。

ビンを使わずスライダックで直接通電してみた

壊れやすい素材でも通電適性を確認できる
動　画：スライダックを使って、直接板の上で通電させてみた

「解　説」
電流による発光
　黒鉛(炭素の同素体)には導電性があり、その安定性は乾電池に電極として使用されていることからもわかります。しかし、炭素棒もシャープペンシル用の芯くらい細くなると、電子の動きに対する抵抗性がかなり大きくなり、炭素棒内を無理に通過しようとする電子によって熱エネルギーが生じます。これがある程度の温度になると、黒鉛そのものが光りを放つようになるのです。始めは暗いオレンジ色が、黄色〜白色になって明るく輝きます。特に、芯が焼き切れる切れる寸前に強く白い輝きを放つのは、炭素が粒子になり、電極間で高温で白熱し燃焼するアーク放電であると考えられます。
　ところで、通電による発光は電磁輻射であり、物体の温度に応じた波長の電磁波が輻射されているものです。人間が自然と感じる光は、太陽の表面温度（５６００Ｋ）から得られる光ですが、この温度に近づけるため、融点の高いタングステン（約３０００Ｋ）が使われているのです。強い光を得るためには、同じ電圧でワット数を上げることが必要なので、フィラメントを短くして抵抗を下げ、コイル上にして小さな空間に押し込んで高熱にするなどの工夫が考えられます。また、電球内にクリプトンのように、分子量の大きな不活性ガスを封入し、熱伝導を下げる方法もあります。

エジソン電球と京都の竹
　シャープペンシルの芯や乾電池など、身近な素材を使い、光を得ることが体験できるわけですが、授業ではやはり、かの発明王エジソンの発明ストーリーに触れない手はありません。彼は、フィラメントとして耐久性のある素材を世界中に求め、それこそ２％のインスピレーションと９８％の努力でもって、ついに京都の竹に行き着きました。
　ここで工作したものは、エジソン電球のイメージには遠く及びませんが、電気エネルギーで照明を得るということが手応えとして実感できる実験ではあります。この機会に、エジソンの発明ストーリーについての調べ学習を課すなど、ぜひ発展的な取組をさせたいものです。

　　　　関連実験ページ：ただの炭ではすみません
　　　　関連実験ページ：アークで明るく
「確認演習」
  1. フィラメントへの通電発光のイメージを図説しなさい。
  2. 携帯カイロを入れる理由を答えなさい。
  3. 長持ちするフィラメントの条件とは何だろうか、考えられるだけ挙げなさい。
編集：山田暢司　埼玉県立坂戸高等学校