〈第 54 回静岡県学生科学賞 県科学教育振興委員会賞〉

５ 電波からエネルギーを取り出す研究

１ 研究の動機と目的
電波は電界と磁界が交互に発生する現象である。このことに加えて学校で習った電磁誘導の原理を使えば、電波から電気を取り出せるのではないだろうかと考えた。またゲルマニウムラジオは電源を使わずに音を聞くことができるラジオである。本研究は、ゲルマニウムラジオの原理をもとに、電波のエネルギーで LED を光らせることを目的とする。
２ 実験の方法と結果はじめに、ゲルマニウムラジオの原理を元に回路を作成し、電波を受信するためのループアンテナをいろいろな大きさで作成する。作成するループアンテナは、ラジオ放送の周波数である約 500ｋHz～1600ｋHz に合わせて設計する。ループアンテナと回路を使用してどうすれば LED が光るのかを調べながら実験を進めていく。

図１ 実験回路３ 実験⑴ LED の性質を調べる。
まずはじめに、LED にどれだけ電圧をかければ光らすことができ、そのときの電流がどのくらいかを調べることにした。
実験の結果、LED はおよそ１．
６５V くらいで光ることが分かった。

3.000
2.500
j 2.000・Aim・ 1.500
ｬ
d・・
1.000
0.500
0.00000.5

図21電圧（ V）

図２ LED の性質- 17 -

1.52⑵ 面積の違うアンテナで出力電圧を比べる
500ｋHz~1600ｋHz に同調するようにコイルの数値（インダクタンス）を合わせて 85cm□、25cm□、10cm□のループアンテナを作成し出力電圧を測る。またラジオ放送が聞こえるかについても観測した。結果は以下の通りになった。
表１ 大きさを変えた時の出力電圧とラジオ受信ループアンテナの大きさ 85cm□
25cm□
10cm□
巻き数５１０１８電圧（mV）
130 233 280.3
ラジオ受信あり なし あり なし なし
この結果より、アンテナの面積が大きいほうが出力電圧が高いことがわかった。また、必ずしもラジオ受信があるときのほうが出力電圧が大きいとは限らないことがわかった。
⑶ 回路の直列接続の実験
ループアンテナを大きくするだけでは、ＬＥＤを光らせるために必要な電圧を得ることはできない。そこで、ループアンテナを複数用意し、回路を直列接続させて電圧が大きくなるか調べてみることにした。ループアンテナは 25cm□10 回巻きと 85cm□5 回巻きのループアンテナを各 2 個、6 個ずつ使用する。測定のたびに電圧が変化するので、１０回測定することとした。実験の結果は以下の通りになり、25cm10 回巻きのループアンテナと回路 2 つの直列接続の出力電圧は約２１ｍＶであった。85cm5 回巻きと回路 2 つの直列接続の出力電圧は約 440mV 程度であった。
表２ 25cm□10 回巻き 2 個の直列接続
回数 12345678910
電圧 21.1 21.2 20.9 21.0 20.8 20.7 20.6 20.4 20.6 20.3

回数１

表３ 85cm□5 回巻き 2 個の直列接続
２３４５６７８９１０電圧(mV)

450453442

450444433

450456455449

また調べていくうちに、複数のアンテナの位置関係が測定結果に影響する性質が見られたので、25cm□10回巻きのアンテナ２つの場合の位置関係と出力電圧の関係について調べた。

10c

15c

5cm20c

ABC5cmD30c

E

図３ ループアンテナ並べ方（位置関係の影響調査）- 18 -

表４ ループアンテナの並べ方 A~E の電圧
回数12345678910
並べ方 A の電圧(mV) 21.1 21.2 20.9 21.0 20.8 20.7 20.6 20.4 20.6 20.3
並べ方 B の電圧(mV) 4.6 5.1
5.0
5.1 5.1
5.2
5.3 5.5
5.45.6
並べ方 C の電圧(mV) 27.2 27.6 27.1 27.1 27.3 27.0 26.9 26.7 26.7 26.8
並べ方 D の電圧(mV) 0.1 0.10.10.1 00.10.1 0.10.10.1
並べ方 E の電圧(mV) 6.2 6.26.16.1 6.05.7
5.6 5.8
5.95.7以上の結果から、ループアンテナの回路は、直列接続することで大きい電圧を得ることができるが、大きい出力電圧を得るためには複数のアンテナの位置関係が互いに重ならないという条件が必要なことがわかった。このことを考慮した上で、85cm5 回巻きの６回路の直列接続の結果は次のようになった。
表５ ループアンテナ 6 個の実験結果
番号
各回路の出力電圧(mV)
測定回 No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6 全て接続
1 回目 152 195 160 203 140 174904
2 回目 151 199 162 200 141 175908
3 回目 149 186 163 196 140 1739504 回目 151 188 162 199 141 171895
5 回目 152 190 163 206 139 177910
6 回目 154 197 166 205 142 196900
7 回目 155 182 169 200 138 168
911
8 回目 153 194 165 197 140 178890
9 回目 151 191 164 198 138 179903
10 回目 158 193 164 206 141 182904
しかし 85cm□5 回巻きのループアンテナ 2 個ずつと 6 個ずつでは、あきらかにループアンテナ１個当たりの電圧に差がある。これは広い実験の場所が確保できなかったため、ループアンテナが近すぎたため電圧が出なかったのだと思う。25 ㎝□より 85 ㎝□のほうが電圧が出ていたため面積が大きいほうが電圧が出るのだと思う。しかし、この電圧では LED を光らすのには不十分であり、さらに何か工夫が必要である。
⑷巨大ループアンテナでの実験
前の実験で25 ㎝□10 回巻きより85 ㎝□5 回巻きのほうが電圧が出ていたため、より大きなループアンテナを作成し実験すれば大きな電圧が出せると思い、できる限り大きなループアンテナを作成した。

図
図４ 巨大ループアンテナ- 19 -実験の結果は以下の通りになった。
表６ 巨大ループアンテナの測定結果
回数12345678910
電圧(V) 0.86 0.86 0.87 0.57 0.56 0.56 0.56 0.55 0.55 0.55
面積を大きくしてみたのに 85 ㎝□を 6 個分つなげたのと同じくらいの電圧しか出すことができなかった。
ただ単に面積を大きくすれば高い電圧を出すことができるわけではないことがわかった。
(4) ラジオ放送局付近での実験
ここまでの実験ではＬＥＤを光らせることはできなかったので、もっと強い電波の出ているところ（SBS
静岡放送 三島ラジオ中継局）で実験してみることにした。方法は、放送アンテナより 50ｍ離れた地点で 25㎝□10 回巻きと 85 ㎝□5 回巻きループアンテナを放送アンテナの方向に向けての出力電圧を測ってみる。
実験の結果は以下の通りになった表７ 放送アンテナ付近での測定結果
回数1234567891025cm□の電圧(V) 0.25 0.26 0.27 0.28 0.27 0.27 0.27 0.26 0.28 0.2885cm□の電圧(V) 1.7 1.71.8
1.7 1.7
1.6
1.7 1.7
1.8
1.6
85 ㎝□のループアンテナではＬＥＤを光らせるのに十分な電圧が出ているのでＬＥＤを接続してみたところＬＥＤが光っていることを確認した。

図
図５ LED が光るようす
４ まとめ
以上の実験により、以下のようなことがわかった。
電波を受信するループアンテナが面積の大きいほうがより多い出力電圧を出すことができる。ただし面積に比例しているわけではないので、ただ単に大きくすればＬＥＤを光らせるために必要な電圧が出るとは限らない。
直列接続によって電圧を大きくすることができる。
ループアンテナを近付けて置くとあまり電圧を出すことができなかった。
電波の強いところで出力電圧を測るとより大きな電圧を出すことができる。
電波のエネルギーでＬＥＤを光らせることができる。
最初に決めた目標を達成することはできたが、家で光らせることはできなかった。だからどうすればより大きな電圧をだせるのか調べていき、家でもＬＥＤを光らせたいと思っている。またループアンテナが近すぎるとなぜあまり電圧を出すことができないのか詳しくわかっていないので今後調べていきたい。これからも電波からエネルギーを取り出す研究をやっていきたい。

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