１．はじめに

電流による発熱については，小学校学習指導要領解説（理科編）（４）電気の利用 ウ に「電熱線の発熱は，その太さによって変わること」とある。
その内容については，「電熱線に電流を流すと発熱するが，電熱線の長さを一定にして，電熱線の太さを変えると発熱する程度が変わることをとらえるようにする」とある。
教科書にある「電流による発熱」の実験では，細い電熱線の方が太い電熱線より発泡ポリスチレンが速く切れるという逆転現象が起こることがある。
その原因がどこにあるのか，どんな条件で実験をすれば児童が納得するような結果が得られるのか，色々と条件を変えて実験を試たので，その結果を報告する。
教科書の実験では発泡ポリスチレンを使っているが，適当な大きさ・厚さのものが手に入りづらいこともある。
そこで切断する材料として，殆どの学校にある給食用のストローを主に使用し，実験を実施した。
この報告の中で，特に断りのない場合，電熱線の長さは６㎝，切断した材料は給食用のストローである。
また，表の中の数字はすべてストローや発泡ポリスチレンが切れるまでの時間（秒）である。
本校では，電源装置に連続可変ボリューム式（シマズES-5N　S.55年購入，写真１）を使っているが，この実験では電熱線にかかる電圧や流れる電流が大きく影響するので，他校の電源装置，乾電池（新しいもの，多少消耗しているもの），充電池（エネループ）を使っての実験も試みた。

２．実験１

電源装置　連続可変ボリューム式（シマズES-5N　S.55年購入）を使用（写真１）

• ・給食用ストローを使用　（写真２）
• ・電熱線の長さ　10㎝
• ・電圧　4.5V
• ・電流　0.2㎜の電熱線には0.6Aの電流が流れ，0.4㎜の電熱線には2.15Aの電流が流れた。
• ◎ 電熱線にかかる電圧を同じ条件にするために0.2㎜と0.4㎜の電熱線を並列につないだ。
  細い電熱線に0.6A流れるように電圧を調整し，その時の電圧は4.5Vであった。（これまでの
  実験から細い電熱線に流れる電流を0.6Aに調整すると比較的良い結果が得られていた）
• ・電源装置のスイッチを入れ，電熱線に電流を流し，約10秒後に電熱線の上にストローを乗せ実験した。

＊　上手にストローを乗せないとストローが静電気で手にくっつき斜めになることがある。
給食用のストローを実験に使用する場合，電熱線とストローの接地面の関係から実験データにばらつきが生じやすいので，ストローを指で軽く潰し楕円形にしてから電熱線に乗せ，３〜５回の平均を取らせるようにすると良い。
また，ストローを切る長さは３㎝程度に統一する。

３．実験２

前記の条件で，電熱線の上にストローを乗せてから電源装置のスイッチを入れ実験した。

◎ ストローを乗せてから電源装置のスイッチを入れた方が電熱線による火傷の心配がない。

◎ 電熱線２本（0.2㎜と0.4㎜）を並列につなぐと，電熱線にかかる電圧は同じになるが，
0.2㎜の電熱線に流れる電流が0.5A〜0.7Aになるように電圧を調整しないと実験が上手く行かない。
電熱線の長さが10㎝の場合，何回か実験してみたが電流は0.6Aが最適である。

４．実験３

電源装置　連続可変ボリューム式（シマズES-5N　S.55年購入）を使用

• ２本の電熱線（0.2㎜と0.4㎜）を別々に使用。電圧を６Vに上げ実験した。
• 電圧６V　0.2㎜の電熱線には1.1Aの電流が流れ，電圧は4.6Vに低下した。
  0.4㎜の電熱線には3.0Aの電流が流れ，電圧は3.2Vに低下した。
• ストローを乗せてから電源装置のスイッチを入れ実験した。

◎ 電圧を６Vにすると0.2㎜の電熱線に流れる電流が1.1Aとなり，流れる電流が大きすぎるため
ストローが切れる時間に逆転現象が生じる。

５．実験４

（２）長さ６㎝の電熱線で実験（ストローを使用）　　（実験７を参照）

• 0.2㎜と0.4㎜の電熱線を使用
• 0.2㎜の電熱線　　2.8Vが2.2Vに低下し，電流は0.8A　（1.76W）
• 0.4㎜の電熱線　　2.8Vが1.4Vに低下し，電流は2.0A　（2.8W）

◎ 電熱線の長さが６㎝では，差が殆ど見られない。

（３）乾電池３個を直列につなぎ実験（ストローを使用）

• 0.2㎜の電熱線　　４Vが2.5Vに低下し，電流は0.8A　　（2.0W）
• 0.4㎜の電熱線　　４Vが1.4Vに低下し，電流は1.7A　　（2.38W）

◎ 乾電池３個，長さ６㎝の電熱線では, 逆転現象が生じる。

６．実験５

◎ 回路に電流を流した時，電圧の低下が生じ，回路にかかる電圧が同じでないため逆転減少が起こる。このときの電力を計算すると0.2㎜が1.87W，0.4㎜が2.16Wであった。
また，0.4㎜の電熱線に電流を流し続けると，電源装置のブレーカーが作動する。

◎ 電圧を3.4V（B〜Dを使用）にすると，0.4㎜の電熱線に流れる電流が1.2A，電圧が0.9Vに低下し，５分経ってもストローが切れなかった。

７．実験６

電源装置（Nakamura児童用電源装置PS-50N，平成元年購入）を使用

（１） 電熱線の長さ６㎝，電圧を４V（A〜Bを使用）にして，太さによるストローの切れる時間を調べた。

• 0.1㎜の電熱線では４Vの電圧が3.0Vに低下し，0.31A電流が流れた（0.93W）
• 0.2㎜の電熱線では４Vの電圧が2.2Vに低下し，0.85Aの電流が流れた（1.87W）
• 0.3㎜の電熱線では４Vの電圧が1.5Vに低下し，1.3A の電流が流れた（1.95W）
• 0.4㎜の電熱線では４Vの電圧が1.2Vに低下し，1.8Aの電流が流れた（2.16W）

◎ 0.4㎜の電熱線と0.2㎜及び0.3㎜の電熱線では，細い電熱線の方が速く切れるというが逆転現象が生じている。

＊　電熱線にかかる電圧と流れる電流から，その時の抵抗値は計算できるが個々の電熱線の抵抗値は厳密に測定していない。

８．実験７

乾電池（新しいもの）２個を直列につなぎ使用

（１） 電熱線の長さ６㎝，電圧3.0Vで太さによるストローの切れる時間を調べた。

• 0.1㎜の電熱線では３Vの電圧が2.8Vに低下し，0.33A電流が流れた（0.92W）
• 0.2㎜の電熱線では３Vの電圧が2.4Vに低下し，0.72Aの電流が流れた（1.73W）
• 0.3㎜の電熱線では３Vの電圧が2.2Vに低下し，1.21Aの電流が流れた（2.66W）
• 0.4㎜の電熱線では３Vの電圧が1.6Vに低下し，1.75Aの電流が流れた（2.8W）

◎ 実験６及び実験７の結果は表の通りであった。実験５では電力の差が大きく影響していると考えていたがこのデータからは電力との明確な関係は見出せない。

◎ 0.1㎜と0.2㎜及び0.3㎜の電熱線では，結果の差は明らかだが，0.1㎜と0.2㎜の電熱線の太さによる違いが見た目で分かりにくいので，ここでは0.1㎜と0.3㎜の太さの電熱線を使用する方が良いという結論に至った。

９．実験８

電源装置（Nakamura児童用電源装置PS-50N，平成元年購入）を使用

（１）電圧４V（Ａ〜Ｂを使用）で実験

• 電熱線の上にストローを載せてから電源装置のスイッチを入れ実験した。

◎ この実験結果は，実験６の結果と多少の差がある。同じ６㎝で実験器具を作製したつもりでも電熱線の抵抗値を測定すると少し差が生じていたので，それも影響していると思われる。

◎ 実験６及び実験８の結果から，電源装置Nakamura児童用を使用する場合の電圧は４V（Ａ〜Ｂ），電熱線は0.1㎜と0.3 ㎜を使用し電熱線の長さは６㎝が最適である。

10．実験９

乾電池２個（多少消耗している）を直列につなぎ，電熱線に15秒程度電流を流してから実験した。

（１）長さ６㎝の電熱線で実験

• 0.1㎜の電熱線　　2.5Vが2.3Vに低下し，電流は0.2A　（0.46W）　

• ◎ ３分経ってもストローは殆ど切れない。

• 0.3㎜の電熱線　　2.5Vが1.2Vに低下し，電流は1.1A　（1.32W）

• ◎５回の平均で41.5秒であった。

（２） 長さ５㎝の電熱線で実験

• 0.1㎜の電熱線　　2.6Vが2.4Vに低下し，電流は0.3A　（0.72W）
• 0.3㎜の電熱線　　2.6Vが1.4Vに低下し，電流は1.4A　（1.96W）　

（３） 長さ４㎝の電熱線で実験

• 0.1㎜の電熱線　　2.5Vが2.3Vに低下し，電流は0.4A　（0.92W）
• 0.3㎜の電熱線　　2.5Vが1.2Vに低下し，電流は1.6A　（1.92W）

11．実験10

（１）電熱線に15秒程度電流をながしてからストローを乗せた。

（２）電熱線にストローを乗せてから電源装置のスイッチを入れた。

◎ 実験（１）と（２）を比較してみるとさほど違いが見られない。

12．実験11

乾電池（多少消耗している）２個（直列），発砲ポリスチレン（スーパーで刺身等を乗せているもの）を幅２㎝，長さ15㎝に切ったもの）を使用(写真６)

（３）長さ５㎝の電熱線で実験（発砲ポリスチレンを使用）

• 0.1㎜の電熱線　　2.8Vが2.6Vに低下し，電流は0.31A　（0.81W）
• 0.3㎜の電熱線　　2.8Vが1.7Vに低下し，電流は1.4A　（2.38W）

◎ 長さが５㎝だと速く切れ，殆ど差がない。

（４）長さ５㎝の電熱線で実験（ストローを使用）

• 0.1㎜の電熱線　　2.8Vが2.6Vに低下し，電流は0.31A　（0.81W）
• 0.3㎜の電熱線　　2.8Vが1.7Vに低下し，電流は1.45A　（2.47W）

◎ 乾電池２個を直列につなぎ，0.1㎜と0.3㎜の電熱線で，長さが５㎝の電熱線を使う場合，切断材料はストローの方が良い。

（５）長さ６㎝で0.2㎜と0.4㎜の電熱線を使って実験（ストローを使用）

• 0.2㎜の電熱線　　2.8Vが2.3Vに低下し，電流は0.8A　（1.84W）
• 0.4㎜の電熱線　　2.8Vが1.4Vに低下し，電流は1.75A　（2.45W）

◎ 殆ど差が見られない。0.2㎜の電熱線に0.8A以上の電流が流れるとかなりの高温になり，この実験には適さない。

13．実験12

電源装置（ウチダTM-４S）を使用（平成25年購入）（写真７）（写真８）

◎ 電圧を測定すると３Vのレンジで2.96V，4.5Vのレンジで4.2V，６Vのレンジで5.5Vであった。それぞれのレンジを使って回路に電流を流しても電圧の低下は見られなかった。

（１）３Vのレンジを使用し，長さ６㎝の電熱線で実験（ストローを使用）（写真８）

• 0.1㎜の電熱線　　2.96V 電流は0.3A （0.89W）
• 0.3㎜の電熱線　　2.96V 電流は1.5A （3.56W）

（２）4.5Vのレンジを使用し，６㎝の長さの電熱線で実験（ストローを使用）

• 0.1㎜の電熱線　　4.2V 　電流は0.5A　　（2.1W）
• 0.3㎜の電熱線　　4.2V　　電流は2.6A　　（10.9W）

• ◎ 電源装置（ウチダTM-４S）を使用する場合，３V又は4.5Vのレンジが良い。
• ◎ ここで使った電源装置は比較的新しいものであり，他のメーカーの電源装置も新しいものは回路に電流を流しても電圧が下がらないように改良されているのではないかと思われるが確認はしていない。

14．実験13

◎ エネループを使用する場合，３個を直列につなぐと良い結果が得られる。

15．実験14

電源装置　連続可変ボリューム式（シマズES-5N　S.55年購入）を使用

◎ 学校によっては，電源装置の数がグループの数より少ない場合が考えられる。その場合，１つの電源装置に同じ太さの電熱線２本を並列につなぎ，２つの班が同時に実験できるようにする。

（１）同じ太さの電熱線２本を並列につなぎ，電圧４Vで実験

• 0.1㎜の電熱線　　４Vが３Vに低下し，電流は0.6A　　（1.8W）
• 0.3㎜の電熱線　　４Vが1.5Vに低下し，電流は2.3A 　　(3.45W)

（２）同じ太さの電熱線２本を並列につなぎ，電圧3.5Vで実験

• 0.1㎜の電熱線　　3.5Vが2.6Vに低下し，電流は0.25A　　（0.65W）
• 0.3㎜の電熱線　　3.5Vが1.3Vに低下し，電流は2.1A 　 　（2.73W）

16．実験15

電源装置　連続可変ボリューム式（シマズES-5N　S.55年購入）を使用

（１）電圧3V　　電熱線の長さ６㎝

• 0.1㎜の電熱線　　３Vが2.4Vに低下し，電流は0.25A　　（0.6W）
• 0.3㎜の電熱線　　３Vが1.5Vに低下し，電流は1.28A　　（1.92W）

（２）電圧3.5V　　電熱線の長さ６㎝

• 0.1㎜の電熱線　　3.5Vが2.8Vに低下し，電流は0.3A　　（0.84W）
• 0.3㎜の電熱線　　3.5Vが1.7Vに低下し，電流は1.5A　　(2.55W)

（３）電圧４V　　電熱線の長さ６㎝

• 0.1㎜の電熱線　　４Vが3.4Vに低下し，電流は0.３5A　　（1.19W）
• 0.3㎜の電熱線　　４Vが2.3Vに低下し，電流は1.85A 　 　(4.26W)

◎ この実験から可変ボリューム式の電源装置を使う場合，電圧は３V〜3.5Vが最適である。

17．実験16

18．おわりに

ここでは色々と条件を変えて実験を試みた。電源として何を使うか，電圧を何Vにするか，電熱線の長さを何㎝にするか，電熱線の太さは何㎜が適切か，切断する材料に何を使うか等々。
その結果，条件によっては切断材料が切れない，データに差が出ない，細い電熱線の方が先に切れる逆転現象が起こる等，問題が生じることが分かった。
同じ様な条件で実験しても電圧の低下や流れる電流が微妙に変わる（電熱線の抵抗値の違いや接触抵抗も関係していると思われる）ため実験データに多少の差がでる。特に，乾電池を電源に使用する場合，乾電池の消耗度によって，ストローの切れる時間に差が生じるので，新しい乾電池を使用した方が良い結果が得られる。
それぞれの学校で備品の整備状況に違いがあると思われる。 自校ではどのような組み合わせが適切か，判断の参考資料にして頂ければ幸いである。

◎ 参考