愛媛県総合科学博物館研究報告

Bulletin of Ehime Prefectural Science Museum, No.26（2021）, p. 157－163

事業報告

サイエンスショー「比べてみよう！電気のあかり大実験」実施報告
藤本光章 *A Report on the Science Show“Experiments comparing electric lights”
FUJIMOTO Mitsuaki

Abstract： We use electric lightings in our houses. These days there are varions types of electric lights such as
incandescent light bulbs, ﬂuorescent lights and light emitting diodes. In our science show we explained the mechanismof light bulbs by experiment. We made an experimental device for everyone to understand the mechanism easily. We
report on the experimental device.
キーワード：サイエンスショー，電気，あかり，実験装置
Key words：science show, electric, light, experimental equipment

はじめにある「比べてみよう！電気のあかり大実験」にもある電気を使用したあかりについて来場者に分かりやすく実験

私たちは夜など暗いとき，あかりを灯して生活していで解説した（表 1）．実験の内容は，身の回りで使用さる．はじめは火を灯して明るく照らしていたが，1870れている白熱電球，蛍光灯，発光ダイオード（LED）電年代後半ごろからアーク灯と呼ばれる電気を利用したあ球の発光する仕組みの違いや点灯するのに必要な電力のかりが登場し，1879 年には白熱電球が登場し広く普及

仕事量，消費する電力を実験装置を使って比較することしていった．今回のサイエンスショーでは，電気を使っで，発光ダイオード（LED）の有用性を理解するとともたあかりの中から白熱電球，蛍光灯，発光ダイオードに，省エネ，節電にも注目するきっかけとなることを目（LED）を取り上げ，どのような方法であかりを灯して的として実施した．

いるのか，製作した実験装置を用いて発光する仕組みを実験項目解説した．実験装置は，言葉だけでは説明しにくい科学現象を見て触れて体験することによって，より理解を深めることができるように考えて製作した．

今回の実験は，電気を利用したあかりのうち，白熱電

今回，令和 2 年度に実施した冬季サイエンスショー「比球，蛍光灯，発光ダイオード（LED）電球の 3 つを取りべてみよう！電気のあかり大実験」において家庭で照明上げ，それぞれの発光する仕組みを登場した順に説明しとして使われている各電球の発光する仕組みや消費電力た．また，各電球が点灯する際に必要な電力の違いを手について，実験の内容や製作した実験装置 5 点を報告す

回し発電機を回す仕事量で来場者に体験させた．
その際，る．

消費電力を計測し，数値で可視化比較により観覧者全員で共有した．これにより，各電球の点灯に必要な消費電実施概要力を知ることができる．その結果，発光ダイオードが世界中の省エネ，節電に大きく貢献している事実を伝える

今回のサイエンスショーは，令和 2 年 10 月 10 日（土）から令和 3 年 1 月 3 日（日）の約 3 ヶ月間，当博物館常ことを目的として実験を構成した．実験の項目は以下のとおりである．

設展示室 3 階科学技術館の実験ショーコーナーで実施した．実施日時は，土・日・祝日の 13:00 ～と 15:00 ～の1 あかりってなんだろう（導入）1 日 2 回で，当館の学芸員が約 25 分間，本タイトルで2 白熱電球* 愛媛県総合科学博物館 学芸課 科学・産業研究グループ
Curatorial Division, Ehime Prefectural Science Museum－ 157 －サイエンスショー「比べてみよう！電気のあかり大実験」実施報告（1）白熱電球の発光実験

熱せられることで，明るい光を出す．エジソンは竹の繊（2）シャーペンの芯実験

維を炭にしたフィラメントを使用することで 1000 時間

3 蛍光灯

以上光り続ける電球を作り出した．現在のフィラメント

（1）蛍光灯の発光実験は融点の高いタングステンで作られており，またガラス4 発光ダイオード（LED）電球

球内にアルゴンガスを封入することでフィラメントを長（1）発光ダイオード（LED）電球の発光実験持ちさせている．

（2）赤・青・緑の LED で白色を作る実験
5 みんなで実験「手回し発電機を使って電球を灯そう」

2 シャーペンの芯実験（1）白熱電球・蛍光灯・LED 電球「人力点灯実験」

竹の繊維を炭にしたエジソンフィラメントと同じ素材（2）白熱電球・蛍光灯・LED 電球「消費電力実験」といえるシャーペンがフィラメントになるか実験で検証した（写真 3）．シャーペンの芯は 2B を使用した．芯の太さは 0.5mm である．可変抵抗器（スライダック）
でゆっ

実験内容と構成

くり電圧を上げていくと芯から白い煙のようなものが発生し，中央部分からオレンジ色に，明るく発光しはじめあかりってなんだろう（導入）
私たちは，日が落ちて暗くなっても何不自由なく明るた（写真 4）．発光を始めてから，十数秒で燃え尽きていところで生活している．現在では，電気を利用したあ切れることも実験した．このことから炭素のフィラメンかりが普及している．電気のあかりがない時代はたいま

トに電流を流すと高温になりオレンジ色に発光すること

つやロウソク，ランプ等の燃料を燃やした炎によるあができるが，空気中に酸素があるため，燃えて切れてしかりを利用していたことを説明し，今回のサイエンスまうことを説明した．

ショーに使用する電気によるあかりとして白熱電球，蛍光灯，発光ダイオード（LED）電球を紹介した（写真 1）．

蛍光灯
白く濁った細長いガラス管の蛍光灯は今から約 80 年前に登場した．発光ダイオード（LED）が登場する前ま

白熱電球
電気のあかりとして，まず初めに行った実験は，ガラ

では主流の照明器具で今現在も多く普及されている．蛍ス球の中に細い金属線（フィラメント）を入れ，電流を光灯の特徴は，白熱電球に比べて熱くならず，長時間灯流して光らせる白熱電球であった．白熱電球は現在の家すことができることである．発光する仕組みは，放電に庭の中での使用は少なくなってきているが，小学校理科より紫外線を発生させ，その紫外線を蛍光物質に当てての授業などで習う，発明王エジソンの白熱電球の発明を発光させている．この実験では白熱電球の高温による発紹介しながら実験することで興味関心をいだかせること光ではなく，紫外線を蛍光物質に当てて，可視光に変換ができた．実験ではガラス球内のフィラメントに電流をされている発光の仕組みの違いを示すことである．その流すと高温になり発光する現象を分かりやすく見せるたため，紫外線を出すブラックライトを用意し，蛍光シーめ，通常の白熱電球とエジソンが発明したエジソン電球

トや蛍光マジックで描いた絵に当てて発光させる実験をを並べて，明るさの違いを比較する実験やフィラメント行った．蛍光マジックを使い好きな絵を描く体験をするをシャーペンの芯に変え，シャーペンの芯に電流を流しことで蛍光灯が発光する仕組みを分かりやすく演出したて発光させる実験を行った．この実験により，発光する実験を行った．

ためにはフィラメントの部分が大変高温になることや長時間長持ちさせるためにフィラメントがすぐに焼き切れ

1 蛍光灯の発光実験
蛍光灯は，灯管内で放電により発生させた紫外線を管ないよう工夫が必要であることを理解することができ内壁に塗布された蛍光物質に当てて可視光を発光させてた．

いる．そこで，実際に紫外線を出すライト（ブラックラ
イト：写真 5）に蛍光シートを近づける実験装置を製作

1 白熱電球の発光実験
エジソン電球と現在の白熱電球のフィラメントに電流し，発光する現象を見せる実験を行った（写真 6）．まを流すとオレンジ色に明るく発光する．両方を比べられた，体験者にアクリル板に蛍光マジックで自由に絵を描るように可変抵抗器（スライダック）で電圧が変えれる

かせ，紫外線に当てて発光させる実験を行った（写真 7）．

白熱電球発光実験装置を製作した（写真 2）．ゆっくりブラックライトの紫外線が描いた絵に当たり発光する実電圧を上げていくと両方のフィラメントがオレンジ色に

験は，より身近な現象として感じることができるため，明るく発光するが，現在の白熱電球の方が明るいことが紫外線が蛍光物質を光らせることの理解を深めることが分かる．白熱電球は，フィラメントが 2500 ～ 3000℃にできたと考える．なお，この実験において，紫外線を出－ 158 －

藤本

光章

すブラックライトを長時間直視することは目に良くない

しまうと起電力が減少し，必要な電力を得ることができため，実験を行うときにだけ点灯するようにして，長時なくなるため，注意が必要だった．それを避けるため，間直視しないよう心がけた．

一つ一つ手回し発電機に 4 個のダイオードをブリッジ接続したブリッジダイオード回路を取り付け，逆回転しても同じ方向に電流が流れるようにした．

発光ダイオード（LED）電球
次に発光ダイオード（LED）電球を紹介した．発光ダイオードは，LED（Light Emitting Diode）と呼ばれ，電1 白熱電球・蛍光灯・LED 電球「人力点灯実験」

流を流すと発光する半導体の一種である．砲弾の形をし手回し発電機を 2 人で回すと LED 電球が点灯した．

た砲弾型 LED と基板の表面に取り付けている表面実装

次に手回し発電機を 3 人で回すと蛍光灯が点灯した．手型 LED があり，光っている部分を CCD カメラで拡大し回し発電機を 5 ～ 6 人で回すと白熱電球点灯した．白熱て観察する実験を行った．そして，赤色・青色・緑色に電球は少ない人数のときは暗く，多くなるにつれ明るく調光できる LED を使って白色光を作る実験を行った．

なった．LED 電球と蛍光灯はある人数になると急に明るく点灯する．これは，必要な電力が発生したときに点灯するからである．LED 電球と白熱電球で灯すことが1 発光ダイオード（LED）電球の発光実験
発光ダイオード（LED）は，Ｐ型半導体（プラスの電荷が多い半導体）とＮ型半導体（マイナスの電荷が多いできる人数を比較することで，来場者は直感的に電球の必要電力を理解できる（写真 13）．

半導体）と呼ばれる 2 種類の半導体を接合した作りになっている．発光ダイオード（LED）に電流を流すとプ

2 白熱電球・蛍光灯・LED 電球「消費電力実験」

ラスの電荷とマイナスの電荷が接合部まで移動し結合す

それまで電力を印象で比較したが，それぞれの電球のる．その結合の際にエネルギーが放出され発光する．発消費電力を測定し，数値を比較する消費電力実験装置で光する部分を CCD カメラで拡大表示した（写真 8，9）．

実験を行った（写真 14）．同じ明るさ（40W 相当）の電球を点灯したときのそれぞれの消費電力をエコキーパーで計測してみた．この実験は人力点灯実験での実験を踏

2 赤・青・緑の LED で白色を作る実験
LED は，半導体を構成する材料「Ga（ガリウム），Nまえて考えてもらうため，クイズにした．クイズ問題は，（窒素），In（インジウム），Al（アルミニウム），P（リン）白熱電球，蛍光灯，LED のうち一番消費電力が高い電など」によって，放出される光の波長を利用して，赤・青・球と一番消費電力が低い電球の組み合わせを以下の 3 択緑色を作り出している．赤・青・緑色の光は「光の 3 原色」にして選んで手をあげてもらった．と言われ，白色光やフルカラーの色を作ることができる．

①（高い）白熱電球・（低い）蛍光灯

現在の LED 白色電球には，赤・青・緑の 3 色から白色②（高い）LED 電球・（低い）蛍光灯

光を作り出す方法と青色の光と黄色を発光する蛍光材と③（高い）白熱電球・（低い）LED 電球で白色光を作り出す方法がある．実際に赤・青・緑色の

実 験 の 結 果， 一 番 消 費 電 力 が 高 い の は 白 熱 電 球 でLED を可変抵抗器で調光した光の 3 原色実験装置を製

40W，一番低いのは LED 電球で 5W であり，クイズの作し，白色の光を作る実験を行った（写真 10）．3 色の正解は③である．2 つの実験から，LED 電球の省エネ組み合わせる方法を変えて，白以外にも赤と青でマゼン効果を点灯人数と数値結果で示すことができた．このタ，赤と緑でイエロー，青と緑でシアンを作り出す実験

ことから，LED 電球の高い省エネ性能を来場者は理解も行った（写真 11）．

できたと考えられる．最後，白熱電球と蛍光灯と LED電球の性能をまとめた．LED 電球の消費電力は，白熱電球に比べて 8 分の 1 で，蛍光灯は 8 分の 5（約 2 分のみんなで実験「手回し発電機を使って電球を灯そう」
手回し発電機を使用した，人力点灯実験装置を使用し，1）である．また，LED 電球の点灯する時間（寿命）は，白熱電球，蛍光灯，LED 電球の点灯比較実験を行った（写

白熱電球の約 20 ～ 40 倍で，蛍光灯の約 4 倍であること

真 12）．この装置では，回す人数が多いほど，回転させを示した．

る速度が速いほど電気を多く発生させることができる．
まとめ

実際に来場者により，手回し発電機を回して，白熱電球，蛍光灯，LED 電球が何人で点灯できるかを実験し，それぞれのあかりの点灯効率を比べた．人数によって，回

今回のサイエンスショーは，前半，白熱電球，蛍光灯，すハンドルの重さを体験できる実験である . 実験では，発光ダイオード（LED）電球の発光する仕組みを自作し体験者が同時に手回し発電機のハンドルを全員同じ方向た実験装置を使うことによって，科学現象をより分かりに回す必要がある．もし，一人だけでも逆方向に回してやすく解説することができたと考える．そして，後半，－ 159 －サイエンスショー「比べてみよう！電気のあかり大実験」実施報告

それぞれの電球を実際に手回し発電機を回してハンドルの重さを体験したり，エコキーパーを横に並べて数値を比較したりすることで，来場者は点灯するために必要な電力の大きさの違いを学ぶことができた．そして，比較した結果，発光ダイオード（LED）電球が，白熱電球や蛍光灯に比べて，消費電力が少なく（省電力），点灯時間も長く（長寿命），熱を出さない（低温度），小型化が可能など数々のメリットがあることを理解することができた．そして，省エネ，節電に大変有効であると理解することができた．そのことからも分かるように，現在，発光ダイオード（LED）の利用は照明だけにとどまらず携帯電話，テレビなどの液晶ディスプレイ，街のイルミ
ネーションの電飾，信号機など幅広く活躍している．今後も発光ダイオード（LED）の様々な分野への利用の動向に注目したい．
参考文献
1）深光富士男

くらしを変えてきたあかりの大研究

たき火，ろうそくから LED まで．株式会社 PHP 研究所，2010．
2）宮田佳則D18. 手回し発電器と電球・蛍光灯．

http://www.info-niigata.or.jp/ ～ ymiyata/denjiki/
d18dynam.htm，（参照 2020-08-29）．
3）理科教育研究会

まなびのずかん電気の図鑑．株

式会社技術評論社，2013．

－ 160 －藤本

表1光章

サイエンスショー実施概要

実験タイトル：比べてみよう！電気のあかり大実験
実施期間：令和 2 年 10 月 10 日（土）～令和 3 年 1 月 3 日（日）実演時間：25 分程度
実演回数：土曜日・日曜日・祝日

1 日 2 回（13:00 ～，15:00 ～）実施会場：愛媛県総合科学博物館

常設展示室 3 階科学技術館実験ショーコーナー

来場者数：1,065 人
対

象：小学 4 年生～中学生とその保護者

写真 1 サイエンスショー実験の様子
実験台に実験装置を置き，装置を移動して解説した．

写真 2 白熱電球の発光実験昔の電球（エジソン電球）と今の白熱電球を可変抵抗器（スライダック）でゆるやかに電圧を上げ，フィラメントが発光していく様子を観察した．

写真 3 シャーペンの芯の発光実験
シャーペンの芯（2B）に電流を流し，発光する様子を観察した．

写真 4 シャーペンの芯の発光拡大
はじめ煙が発生し，オレンジ色に発光，しばらくすると発光が小さくなり，切れる．

－ 161 －

サイエンスショー「比べてみよう！電気のあかり大実験」実施報告

写真 5 蛍光灯の発光実験（蛍光シートをかぶせる前）
紫外線を出すブラックライトを点灯すると，暗い紺色に発光する．

写真 6 蛍光灯の発光実験（蛍光シートをかぶせた後）
蛍光シートを上にかぶせると，明るく発光する．

写真 7 蛍光灯の発光実験（蛍光マジックで描いて発光させる）
アクリル板に蛍光マジックで自由に絵を描
き，紫外線に当てた．

写真 9 発光ダイオード（LED）電球の実験装置の拡大
立体的に見せるため，少し斜めの角度に CCD をセットし，拡大した映像を映し出した．

写真 8 発光ダイオード（LED）電球の発光実験
砲弾型 LED を点灯し，点灯している部分を CCD カメラで拡大してディスプレイに映し観察した．

写 真 10 赤， 青， 緑 の LEDで白色を作る実験装置
赤色，青色，緑色の LED を下にある可変抵抗器で調節すると白色光が作れる実験装置を製作した．

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写真 11 赤，青，緑の LED でシアンを作る実験
赤色，青色，緑色の LED を下にある可変抵抗器で調節しながらシアンの光を作る体験をしてもらった．

藤本

写真 12 白熱電球・蛍光灯・LED 電球「人力点灯実験」
手回し発電機を回し，白熱電球と蛍光灯，LED電球を点灯する装置を製作した．

光章

写真 13 人力点灯実験の様子
手回し発電機を数人で回し，白熱電球と蛍光灯，LED 電球が何人で点灯できるかを挑戦してもらった．

写真 14 白熱電球・蛍光灯・LED 電球「消費電力実験」
同じ明るさ（40W 相当）の電球を点灯し，それぞれの消費電力をエコキーパーで測定し，消費電力の違いを実験した．

－ 163 －