電球の探究
１年Ｃ組 清家 悠大
１年Ｃ組 中谷 駿介
指導教員 米田 隆恒

１．要約
LED（発光ダイオード）や蛍光灯などの電球が近年目覚ましく発展している。私たちは一般的に製造されている電球よりもさらに優れた電球を開発したいと考えた。そこで今回、新しい電球の開発の初歩的実験を行うことにした。
キーワード

発光、フィラメント、放電、発光時の温度

２．研究の背景と目的
近年、LED や蛍光灯などの電球類が目覚球の開発の第一段階として電球の性質を詳しく調べる実験を行った。

ましい発展を遂げている。しかし、私たちはそのような電球に、以下の議論すべき点

３．研究内容があるのではないかと考えた。

＜研究概要＞（１）ガラスがなくても、通常通りに光る

実験Ⅰ：フィラメントがむき出しの豆電球ことができる電球を作るにはどのよと、通常の豆電球の電流と電圧のうな工夫を加えれば良いか関係を比べる（２）発光時に出る発熱をできる限り抑えることはできないか（３）極限の場所でフィラメントを光らせるにはどのような工夫を行えば良いか（４）少ない電力で、従来の電球より明るく光らせることができないか（５）安価に製造できないか（６）長持ちさせるにはどのような工夫を加えればよいか。
そして、私たちは、６つの改善点を克服して、現在の LED 電球や蛍光灯等に勝る電球を作って、一般家庭にも普及すればよいと考えている。そこで今回は、新しい電実験Ⅱ：自作の豆電球を作り、電流と電圧と温度の関係を調べる
実験Ⅲ：水中に白熱電球のフィラメントを浸け電流を流して光らせる
実験Ⅳ：約 1 万ボルトで外部からフィラメントに直接放電させ豆電球が光るか確かめる
実験Ⅴ：豆電球のフィラメントに直接高電圧をかけると同時に、フィラメントに電流を流し、フィラメントがむき出しの豆電球と通常の豆電球の電流と電圧の関係を調べる
実験Ⅵ：LED 電球の発光時のスペクトルの特性について調べる
実験Ⅶ：紫外線を発する LED が本当に紫外線を放出しているかを調べる
実験Ⅰ＜研究動機＞（１）について考察したい。また、ガラ
スのない電球がどのように光るのか観察してみたい。
図３ 実験Ⅰの結果＜仮説＞
一瞬、 通常通りに光ってすぐに消え、フィラメントが切れる＜考察＞
・フィラメントの金属が空気中では非常に＜材料＞明るく燃えるということがわかった。

・耐電圧 6.3V の豆電球２つ（フィラメント・フィラメントがむき出しの豆電球①はがむき出しの豆電球①(図１)と、通常の通常のものよりも低い電圧で明るくなる

豆電球②）が、低い電圧でフィラメントが切れるの・みのむしクリップの導線７本で、結果的には通常のものの方が明るく・電源装置 ・電流計 ・電圧計光ることができるということがわかった。
・通常の豆電球②が耐電圧を超えても光っ＜実験方法＞

た。

図２の回路図の通りに配置して、電源実験Ⅱ装置からの電圧を＜研究動機＞0.1V ずつ上昇させて、電流の変化を調べる。

自分たちでも電球を作れるということを図１確認したい。また、電流と温度の関係を理解しておくと、（２）の改良に有効だと考え＜結果＞た。

・通常の豆電球②は10V を超えても光り続けた。

＜仮説＞
図２

・フィラメントがむき出しの豆電球①は電流と電圧、電圧と温度のグラフは共に比例のグラフとなる。

2.3V でフィラメントが燃えた。
＜材料＞
・みのむしクリップの導線７本 ・電流計
・電圧計 ・熱電対温度計
・図４のような自作の豆電球・電源装置

図４

ガラスのない自作の電球
図５
図６ 実験Ⅱの結果ⅰ＜実験方法＞
実験Ⅰの回路図の豆電球の部分を自作の豆電球に取り換え、1V ずつ電圧を上げていき、温度と発光の強さを確認する。温度計は図５の通り、フィラメントの中心付近（フィラメントに触れない場所）に置き、フィラメント付近の温度を測定する。
＜結果＞

図７ 実験Ⅱの結果ⅱ

・電圧を上げるに従い、温度が徐々に上昇していく。
・フィラメントは 7V あたりで発光した。
・電圧と電流は比例のグラフで近似できる。
＜考察＞
・図７より電圧と電流は比例するが、図６より、電圧と温度は比例しない。これより仮説の電圧と電流が比例することは正しいが、電圧と温度は比例しないことがわかる。
・温度と電圧の関係は、Excel で近似曲線を描くと 2 次式で近似できる。
・電流と温度の増え方はグラフを見ると、異なっている。このことについて調べる必要がある。

実験Ⅲ＜研究動機＞
・極限の場所でも光らせることができるかということを研究するため、今回は、水中で行うと今後の研究にも利用できるのではないかと考えたから。
＜仮説＞
水中ではフィラメントは光らない。
＜材料＞
・水を張ったビーカー
・フィラメントがむき出しの 60W 白熱電球
・電源装置 ・みのむしクリップの導線＜実験方法＞
図８のように白熱電球のフィラメント部分をビーカーの水に浸し 10V ずつ電圧を上げていき、フィラメントの様子を観察する。

・スタンド
・DCDC コンバーター(高電圧をかける装置)＜実験方法＞
図９のように豆電球のフィラメントの近く

図８に DCDC コンバーターの電極を近づけてフ＜結果＞ィラメントに向かって・20V あたりからベルのような音が鳴り出放電させる。

図９し、電圧を上げるに伴って音が大きくなっていった。
・80V あたりで一瞬燃えるように光り、フィラメントが切れた。

＜結果＞・フィラメント自体は光らなかったが放電した電気自体は光った。
・むき出しの豆電球では、フィラメントに＜考察＞

向かって放電が起こったが、フィラメン

・80V あたりで光ったが、一瞬だったのでトは光らなかった。

仮説はほぼ正しい。
・なぜベルのような音が鳴ったのかはわからない。
・水は温度が上がりにくいため、フィラメントは光らない。

＜考察＞
仮説とは違い、フィラメントは光らなかった。しかし、放電自体は光っていたので新しい豆電球に利用したい。

実験Ⅳ

実験Ⅴ

＜研究動機＞＜実験動機＞

・動画サイトでコンセントを使って豆電球

実験Ⅳではフィラメントに高電圧のみかを光らしていったので、約 1 万 V でも光けていたが、電源装置からも電流を流すとると考えたから。

実験Ⅳと比べて違いがあると考えたから。

＜仮説＞
一瞬 非常に明るく光って、フィラメント

＜仮説＞
高電圧をかけるものと、かけないもののが切れる。

電流と電圧の関係に違いはない。

＜材料＞

＜材料＞

・フィラメントがむき出しの豆電球

・フィラメントがむき出しの豆電球２つ

・DCDC コンバーター ・電源装置

・黄色に光る LED (VF1.8～2.4V）・みのむしクリップの導線

・白色に光る LED (VF3.8～4.2V)
・青色に光る LED（VF3.8～4.2V）＜実験方法＞
一方の豆電球は実験Ⅰと同様に電流を流・赤色に光る LED (VF2.4～2.8V)
・緑色に光る LED (VF3.8～4.2V)

し、もう一方の豆電球はフィラメントに高・ガラスの表面が橙色の LED (VF 不明)

電圧をかけつつ、電流を流す。また、電圧・紫外線と発生する LED (VF 不明)

を 0.1V ずつ上昇させていく。

・赤外線を発生する LED (VF 不明)＜結果＞＜実験方法＞

・どちらも 2V 程度でフィラメントが切れてしまった。
・高電圧をかけた方が電流は強くなった。

図 10 のような回路図を用いる。LED が光り始めたときの電圧を測定する。また、豆電球が光り始めたら分光器で見て、スペクトルを観察する。また、VF と光り始めた＜考察＞

ときの電圧を比較する。

・高電圧をかけた方が、電流が強く流れたため、仮説は間違っていた。
・高電圧をかけると電流が強く流れ、明るく光るという性質を今後、利用できないか考えたい。
図 10
実験Ⅵ＜実験動機＞
豆電球のみならず、その他の発光体についても調べた。

＜結果＞
・分光器で見ると、赤外線を発する以外のLED は分光器でも肉眼で発光しているのが確認できた。

＜仮説＞
光る色が違っていても LED を光らせるための電圧はすべて同じである。

・VF と光り始めた電圧には関係がない。
・紫外線を発生させる LED は、紫色に光っているが、紫外線を発しているかどうかはわからない。

＜材料＞
・電源装置

＜考察＞

・テスター(電圧・電流の測定も可能)

・LED が光り始める電圧は光る色によって・ボリューム抵抗器・分光器・ワニ口クリップ変わる。
・白色に光る LED のスペクトルは全体が均等に光っていた。

図 11

＜材料＞
・紫外線を発する LED
・紫外線や赤外線が本当に発生しているの・ボリューム抵抗器かはわからない。だから、調べる必要が・テスター（電流・電圧の測定も可能）あると考えられる。

・電源装置

・赤外線を発生する LED は見えないため、スペクトルについては結果がわからない。
・白色の LED のスペクトルは６色で虹のように均等に並んでいる。

・みの虫クリップ３本
・紫外線チェックカード（紫外線に反応すると紫色に変色する。）＜方法＞

・実験Ⅲより、自作の電球が７V で光り始

実験Ⅵの回路図の LED の部分に紫外線めたのに対し LED は２V 前後で光ってを発する LED を置き変え、LED を光らせいるものが多いため、LED の方がエコでる。そして、暗室にして光っている LED のある。

近くに紫外線チェックカードを近づけ、カ・光の波長が短い方が光ることのできる電圧が高い。

ードの色の変化を見る。
＜結果＞
図 12 のように、LED を近づけたカード

実験Ⅶの部分が白色から非常に濃い茶色に変化す＜研究動機＞る。

実験Ⅵより、紫外線を発する LED は本当に紫外線を出しているのか調べた。
＜仮説＞
一応、紫外線を発しているが、極めて微量である。

ない。
ＬＥＤを照射した所

・水は温度が上がりにくいため、フィラメントは光らない。
実験Ⅳからわかること
・放電だけではフィラメントは光らなかった。しかし、放電自体は光っていたので

図 12

新しい電球に利用したい。
実験Ⅴからわかること＜考察＞

・高電圧をかけた方の電流が強く流れた。

・紫外線を発する LED からは本当に紫外・高電圧をかけると電流が強く流れ、明る線がとても発生していた。

く光るという性質を今後、利用できないか考えたい。

４．まとめと今後の課題・展望

実験Ⅵからわかること＜まとめ＞

・LED が光る電圧は色によって変わる。

実験Ⅰからわかること

・光の波長が短い方が光り始めるときの電・フィラメントの金属が空気中で非常に明圧が高い。

るく燃えるということがわかった。

・紫外線や赤外線が本当に発生しているか・フィラメントがむき出しの豆電球は通常どうかわからないので、調べる必要があの豆電球よりも低い電圧で明るくなるが、低い電圧でフィラメントが切れるので、結果的には通常の豆電球の方が明るく光ると考えた。
・白色の LED のスペクトルは６色で虹のように均等に並んでいる。

ることができるということがわかった。

・赤外線を発生する LED は光が見えないた・通常のものは耐電圧を超えても光った。

め、スペクトルについては結果がわから

実験Ⅱからわかることない。

・グラフより電圧と電流は比例することが・実験Ⅲより、自作の電球が７V で光り始わかるが、電圧と温度は比例しないこと

めたのに対し、LED は２V 前後で光ってがわかった。

いるものが多いため、LED の方がエコで・Excel で近似曲線を描くと、温度と電圧ある。の関係は２次の多項式で近似できること

実験Ⅶからわかること

がグラフからわかった。

・紫外線を発する LED からは紫外線が・電流と温度の増え方はグラフを見ると、とても発生していた。

異なっている。このことについて調べる必要があると考えられる。
実験Ⅲからわかること＜今後の課題＞
最終的には当初の目的であった、従来の・80V あたりで一瞬だったが光った。

ものより優れた電球を作りたいがそのため・なぜベルのような音が鳴ったのかわからにはいろいろな課題が残っているので、これからは以下の課題達成を考えている。
・実験Ⅰでのガラス部分の役割が何なのかを知りたい。

６．謝辞
今回のサイエンス研究会物理班の活動において、顧問の米田先生をはじめ、多くの・実験Ⅰで電流と電圧の関係が √ で近似で先生方、先輩方から多大なご指導やご協力きたのでグラフを √ で近似できる理由をいただきました。この場で深く感謝申しを知りたい。

上げます。

・実験で通常の豆電球が耐電圧 6.3V を超えても光り続けた理由を知りたい。
・実験Ⅱのグラフⅰで二次の多項式が出てきたので、二次の多項式について数学で理解していきたい。
・実験Ⅱのグラフⅱで電流と電圧が比例した理由を知りたい。
・電流と温度の増え方が一定ではない理由を知りたい。
・実験Ⅲで 10V あたりからベルのような音が鳴り始めた理由を知りたい。
・実験Ⅲにて 80V あたりでいきなり燃えるように光った理由を知りたい。
・実験Ⅳで放電が光った理由を知りたい。
・実験Ⅴで高電圧がフィラメントに流れて明るく光るという性質がなぜ起こるのかを知りたい。
・実験Ⅵにて LED の波長が短い方が光り始める電圧が高い理由を知りたい。
・実験Ⅵから赤外線を発する LED が本当に赤外線を発しているのか調べたい。
・実験Ⅶより紫外線を発する LED の電圧と光の強さの関係を知りたい。
＜今後の展望＞
上記の今後の課題を達成していき、従来の電球より優れた電球を形にする。また、実験Ⅳででてきた放電についても研究していきたい。