白熱電球？そもそも電気とは何？

2021.03.03

そもそも電気ってなに？

電気の正体とは如何に・・・

電気と聞いて何を思い浮かべますか？

照明？白熱電球？

では今回は白熱電球と電気とは何かについてお話しいたします。

白熱電球について

電球はガラス球の中にフィラメントと呼ばれる金属が入っています。そして、このフィラメントに繋がっているのコードから電流れます。この時フィラメント内では電位抵抗により、大量の熱が発生します。どんどん温度が上昇し、最終的にはフィラメントの温度は3000度まで到達し、電球の内部はとても熱くなります。

そして、フィラメントは高温になることで光を発生することができます。このような過程で電球は光を放っています。

どんな物質でも高温になると少しずつ光を放ちます。白熱電球が光るのも3000度の高温になるからです。

白熱電球を開発した人とは？

小学生の頃の理科の授業で習ったであろう、トーマス・エジソンです。

彼は32歳の頃、木綿糸に煤とタールを塗って炭素化させたフィラメント使い、約14時間連続して転倒する白熱電球を開発しました。研究に研究を重ね、日本の竹をフィラメントに使用としたと言われています。

しかし、ここで勘違いしてはいけないのが、白熱電球のフィラメントを開発したのはエジソンではありません。

「電球＝エジソン」と思いがちですが、実はエジソンよりも先にジョセフ・スワンが最初に白熱電球の開発に成功しています。

なぜ、エジソンの方がイメージが定着しているかというと、ジョセフの開発した白熱電球は安定性がなく、実用性に欠けていました。一方でエジソンは研究によって安定性が高く、実用的な白熱電球を開発しました。

ちなみに、日本で初めて電灯が点灯したのは今から100年以上前になります。松下電器（現在のパナソニック）が国内生産を開始したことで世に広まりました。

白熱電球とLED電球の違い

現代では白熱電球よりもLED電球の方が推進されています。家庭の電気や車のヘッドライトなど、あらゆる場所でLED電球が使用されています。

では、白熱電球とLED電球の違いとはなんでしょうか？

構造の違い

白熱電球は接合部分以外はほとんどがガラス管でできていますが、LED電球は接合部分以外も金属でできているものが多いです。

電気代の違い

電気代にも大きく差があります。種類によって違いがありますが、LED電球の方が最大で1/8の電気代が削減できると言われています。白熱電球と蛍光灯は同等。

寿命の違い

白熱電球の寿命は約1000〜2000時間、LED電球の寿命は約4万時間と言われています。

白熱電球よりもLED電球の方が寿命が長いです。

電気とは何か

電気の説明を詳しく紐解いていくと原子の世界から物資の構造を見ていかなければなりません。

原子の構造について確認しましょう。

原子を細く分けると原子核と電子に分けることができます。さらに原子核は、陽子と中性子に分けることができます。

大切なのは陽子はプラスの電気を持ち、電子はマイナスの電気を持ちます。

プラスとマイナスの電気は引っ張り合います。マイナスの電気を持つ電子はプラスの電気を持つ原子核の周りを引っ張られながらグルグル回転します。

一般的に原子の内部にはプラスの電気を持つ陽子とマイナスの電気を持つ電子が同じ数ずつ存在します。

このようにプラスとマイナスが同数で釣り合っているため、原子全体で見ると、プラスの電気もマイナスの電気も持たないことになります。同じ数ずつあると電気同士が打ち消し合います。

電気を持たない原子にプラスやマイナスの電気を持たせるには電子や陽子の数を増やしたり、減らしたりします。実際には陽子の数は変化させることができます。陽子と原子お数が等しい中性の原子は何らかの刺激を受けることで周りから電子を受け取ったり、原子を手放したりすることがあります。例えば原子が電子を手放した場合、原始の中にでは陽子の数より、電子の数の方が少ないことになります。このことにより、この原子はプラスの電気を帯びることになります。プラスに帯電した電子のことを陽イオンと呼びます。逆に、原子が電子を受けとることもあります。原子が電子を受け取る場合、この原子は陽子の数よりも、電子の数の方が多い状態になります。この原子はマイナスに帯電することになります。このようにマイナスに帯電した電子を陰イオンよ呼びます。

電子が移動することで、原子がプラスとマイナスに分かれます。そして、原子に手放されて新しく他の原子が受け取るまでの自由な電子のことを、自由電子と言います。この自由電子の移動こそが私たちがよく使っている、電気、電流の正体です。

身近な電気を例にするとそれは静電気です。

下敷きに髪の毛をこすると、下敷きに髪の毛が付きます。この下敷きと髪の毛の間に何が起きているのでしょうか？

下敷きも髪の毛も、原子からできています。原子は何らかの刺激を受けると、電子を受け取ったり放出したりまします。下敷きと髪の毛をこすり合わせる、刺激と摩擦によって、髪の原子から電子かが放出され下敷きの原子へ移動します。

その結果、髪の原子はプラスに帯電し、下敷きはマイナスに帯電することになります。つまり、髪の毛と下敷きは引っ張り合い、髪の毛が下敷きに向かって逆立つ、という現象が起きます。

静電気というのは原子が移動することで起きる現象ということです。

ちなみに原子によってプラスに帯電しやすいもの、マイナスに帯電しやすいもが分かれているため、ぷらすとマイナスどちらに帯電するかは接触する2つの原子の組み合わせによって決まってきます。

他にも静電気による自然現象ですと、雷があります。雷も静電気によって電流が流れる現象です。空に浮かぶ雲の中にはたくさんの水蒸気が含まれています。そして、この雲が上昇気流によって空高く上がっていくと、入道雲が発生します。ここで、地表からの高さが高くなるほど、気温が低下していきます。そして高いところでは温度はマイナス20度より低くなります。空高く上がっていった入道雲の中では、温度がどんどん低下していくことにより、水の粒が氷の粒に変化します。そして、大きさの違う粒が雲の中でぶつかり合うことで、電子の移動が発生します。大きな粒はマイナスに帯電し、小さい粒はプラスに帯電することになります。粒の大きさによってプラスとマイナスのどちらに帯電するか決まります。そして、より大きい氷の粒は雲の下側へ移動、小さい粒は雲の上側へ移動します。これによって雲の上側はプラスの電気、雲の下側はマイナスの電気を帯びた状態へと変化します。

マイナスの電気を限界まで蓄えた雲は本来、電気を通さないはずの空気を通り、プラスの電気を持つ地面に向かって、大量の電子を放出します。この時、電子がぶつかりながら通った空気は激しく振動します。1000度以上となった空気は光を放ちます。ということで、電球の中のフィラメントでも、原子が移動していることになります。最初にご説明した、どんな物質でも熱を持つと光を放出することで電気がつきます。

まとめ

現代の私たちの生活で電気は無くてはならない存在になっています。今回ブログは少し難しいお話になりましたが、白熱電球と電気の仕組みについてでした。

普段、なんと無く使っている電気は実は原子が関係していて、熱を持ち光を放つことで電気になります。

電気とは奥深いですね。

本日はここまで。