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電気ってどうやってできているの? 身近な電気のアレコレ|なるほどなっとく 中学受験理科

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2021年10月14日 水溜 兼一(Playce)

学習範囲が広く、難しいイメージがある理科の中学入試問題。難関校に多くの子どもを合格させてきたカリスマ講師・小川眞士さんが、子どもの理科力を育むためのヒントを伝えます。

電気ってどうやってできているの? 身近な電気のアレコレ

入試理科では、理科的思考力が求められます。子どもの理科的思考力を養うためには、普段から身の回りのいろいろな事象に興味を持ち、その原因を理科的視点で捉える姿勢が大切です。今回は、身の回りのモノの中から「電気」にフォーカスして、小川先生にお話いただきます。

身近な電気「静電気」

テレビ、パソコン、掃除機、エアコン……。家庭には電気で動く製品がたくさんあります。身の回りに当たり前のように存在しているので、そもそも電気がどのようなものかを考えることは、あまりないかもしれませんね。

普段の生活や子どもたちの学校生活で、電気を感じる現象といったら「静電気」でしょうか。実は私たちの身の回りにある物質は、プラスとマイナスの電気を持っています(人間も同様に電気を持っているのです)。ところが物質同士がこすれると、片方にプラスの電気がたまり、もう一方にマイナスの電気がたまることがあります。

下敷きをこすって髪の毛をくっつけて遊んだ方はいるでしょう。下敷きを髪の毛でこすることで、下敷きがマイナスに帯電し、髪の毛がプラスに帯電します。これが、静電気です。

プラスとマイナスはお互いに引き合うので、下敷きを浮かせると髪が立ちます。セーターとシャツがこすれて「パチッ」と放電するのも同じ原理です。そして、プラスからマイナスに電気が流れるという点では、静電気も雷も、家電を動かしている電気も全て同じです。

家電はどうやって動いている? 電気ってどうつくられている?

家電にはモーターが搭載されているものが多く、モーターが回転することで動きます。モーターは、磁石と電磁石でできていて、それぞれの極が引き合ったり、しりぞけあったりして回転しているのです。

電磁石とは、導線を何回も巻いてつくったコイルの中に鉄の棒を入れたもので、コイルに電流を流すと磁石になります。また、電流を流す方向を逆にすると、電磁石の両端にできる極が変わります。

なお、モーターには直流モーターと交流モーターがあります。

モーター(直流)が動く仕組みのイメージ

直流はプラスとマイナスが変化せず、電流が流れる方向が変わらないので、直流モーターでは半回転ごとにコイルに流れる電流を、整流子などの装置を使って意図的に変えないとモーターは回転しません。

一方、交流は一定時間ごとにプラスとマイナスが変化するので、整流子などがなくても回転します。このように、電流の向きが一定の周期で変わる交流の電気は、モーターを動かす(回転させる)のに適しているといえます。冷蔵庫、掃除機、エアコン、洗濯機などといった代表的な家電には交流モーターが搭載されています。

では、家電を動かす電気はどうやって生み出されるのでしょうか。日本には、火力、水力、風力、原子力などの発電所が各地にありますが、どれも電気をつくる基本的な仕組みは同じです。

発電の仕組みを知るうえで、押さえておくとよいのが「電磁誘導」です。電磁誘導とは、コイルに磁石を近づけたり、遠ざけたりすると電気が流れる現象のこと。小学校では電磁誘導に関しては扱いませんが、小学校でも取っ手がついたモーターを回して発電する“手回し発電機”で電気を発生させて、さまざまな実験を行います。

このように、コイルに磁石を近づけると電気が流れる

実は発電所もこの電磁誘導を応用しています。コイルとコイルの間で磁石を回転させることで、電気をつくっているのです。モーターは電流を流すと軸が回転しますが、発電所の場合は逆で、モーターの軸を回転させて電流を発生させています。

発電所は磁石を回転させて電気をつくっている

発電所ではモーターの軸についている、磁石(コイル)を回すのに、色々な力を使っています。火力発電所と原子力発電所は、水を沸騰させてできる蒸気の力で、水力発電所は水の勢いで、モーターの軸についているタービンという羽根車を回し、風力発電所は風の力で軸を回して(磁石またはコイルを回転させて)、電気をつくっているのです。

普段使っている電気って、交流? 直流?

こうしてできた電気が、電線を通って私たちの家に届きます。ちなみに、発電所から送られてきた電気は、ほぼ一定の周期で電流の向きが変わります。この流れを「交流」といい、下記のようなグラフで表されます。

交流のグラフ

家庭に届く電気は交流です。家に届いた電気は、コンセントからケーブルを伝って、家電に取り込まれ、モーターを回転させて動いています。

パソコンやスマートフォンは、直流の電気で動く

電気には交流のほかに、直流があります。理科の授業で乾電池に豆電球をつなぎ、実験をしたことがあると思います。乾電池から流れる電気は、プラスとマイナスが決まっていて、電流の向きも大きさも一定です。このような電気の流れを直流といい、下記のグラフで表されます。

直流のグラフ

家電のなかでも、パソコンやスマートフォンといった精密機器は、直流の電気でないと動かないものがあります。また、これらの機器に搭載されているバッテリーは、プラスとマイナスが決まっている直流です。

しかし、前述したように家庭に届く電気は交流です。しがたって、交流の電気を直流の電気に変える必要があります。交流から直流に整えることを「整流」というのですが、その役割を担っているのが「ACアダプター」などと呼ばれる装置です。実は、このアダプターの中に交流(AC)を直流(DC)に変える整流回路があるのです。

整流のための回路にはダイオードが使われます。ダイオードは、一方にしか電気を流さない性質があります。小学校でもLED(発光ダイオード)について学習しますが、LEDは光るダイオードです。ダイオードの性質は、どちらか一方向にしか電流を流さないことです。この性質を踏まえて、下図のような回路を組むと、電気が常に一方向にしか流れなくなります。

▼ 整流回路のイメージ ▼

電池(左端)から上向きの電気が流れた場合

電池(左端)から下向きの電気が流れた場合

左端の電源のプラスマイナスが切り替わる様を、交流の電気に置き換えると、回路に入ってきた交流の電気が、常に一定方向に同じ大きさで流れることになります。さらに、電気を貯めるコンデンサー(小学校でも学習します)などを使った平滑回路を使うことで、ほぼきれいな直流の電流ができます。このようにして、交流の電気を直流に変え、その電気をパソコンやスマートフォンに流すことで、これらの機器が動き、バッテリーに電気を貯められるようになるのです。

電気を考えることは、抽象概念を理解することにつながる

学校や塾で習う電気の単元では、豆電球のつなぎ方、LEDと手回し発電機、コンデンサー、電磁石とモーターなどについて学びます。これらを発展・応用して、発電所で電気がつくられ、家電を動かしていることを感じていただけたのではないでしょうか。また、直流・交流というワードは、入試に出ることがあるので基本的な特徴は理解しておきたいところです。

電気は目に見えないものなので、実体がつかみにくく、苦手な子もいます。しかし、逆に言えば、電気を理解することは、抽象概念を理解することにつながり、理科的思考力が養えます。電気がどのようにつくられているのか、家電がどのように動いているのか、親子で考えたり調べたりして話し合ってみる姿勢を大事にしてください。


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※記事の内容は執筆時点のものです

小川眞士
小川眞士 専門家・プロ

小川理科研究所(東京都豊島区)主宰。都内の中学校教諭を経て、四谷大塚進学教室理科講師に。開成や桜蔭の特別コースを約25年間担当、コース生28人全員が開成中学に合格した実績を持つ。教務主任や副室長も務めた。2009年4月に小川理科研究所を開設。主な著書に、『中学受験 理科のグラフ完全制覇』(ダイヤモンド社)、『これだけ理科』(森上教育研究所スキル研究会)、『カンペキ小学理科』(技術評論社)がある。

この記事の著者

雑誌・新聞の編集・ライターを経て、現在は、通信教育企業のキュレーションサイトや大学案内のライティングなどを担当。