レモンに金属板を差すと、電池になる。これを見て「レモンの中に電気が入っていた」と考えていませんか。大切なのは、果物だけではなく、差した金属板と果汁を組み合わせていることです。レモン電池は、化学変化によって電気エネルギーを取り出す仕組みです。
果汁の酸っぱさを電気の量のように扱うと、金属を替えた実験や、つなぐ向きを替えた実験が説明できなくなります。材料を一つずつ指さし、「この部分が何をしているか」を整理してみましょう。
亜鉛板と銅板は、ただの取っ手ではない
ここでは、亜鉛板と銅板を果汁に触れさせた電池を考えます。亜鉛は、電子を残してイオンとなり、液の中へ溶け出す反応に関わります。外の導線をつなぐと電子が移動し、回路の中の機器で電気エネルギーを利用できます。詳しい反応式を習う前でも、「金属も化学変化に関係する」と押さえてください。
果汁は電解液として働きます。金属板を支えるだけの土台でも、甘さを電気に変える装置でもありません。「何を差してもレモンなら同じ電池」という説明にはできないのです。金属の組み合わせが違えば、得られる電圧なども変わります。
この銅と亜鉛の組み合わせでは、外部回路に対して銅側がプラス、亜鉛側がマイナスです。導線中の電流の向きはプラス側からマイナス側、電子の移動は逆向きです。問題がどちらを聞いているのかを確かめ、矢印に「電流」か「電子」かを書き添えます。
電圧が読めても、何でも動くわけではない
電圧計が反応したことと、豆電球やモーターを十分に動かせることは別です。機器をつなぐと、電池内部の抵抗などの影響も受けます。レモン電池に大きな負荷をつないで動かなかったからといって、すぐに「電気はまったく発生していない」とは言えません。
LEDにも向きがあり、点灯に必要な条件があります。金属板が果汁に触れている面積、板どうしの間隔、導線の接触も結果を左右します。うまく光らないときは、レモンを次々に増やす前に、回路が閉じているか、板が内部で直接触れていないかを見ます。
実験する場合は大人と行い、金属板の鋭い端に注意してください。使用した果物には金属が溶け出しているため、実験後は食べません。この記事の数値例は、実物で同じ電圧が必ず得られるという保証ではありません。
例題1｜金属の組み合わせを比べたい
同じ果汁を同じ量ずつ入れた二つの容器があります。Aには銅板と亜鉛板、Bには銅板と銅板を入れます。板の大きさ、液に入る面積、板の間隔、温度、測定器はそろえました。この比較では、何の違いを調べていますか。また、Aの板を大きくし、Bだけ果汁を薄める変更を同時にすると、何が困りますか。
答え・解説： 金属の組み合わせの違いを調べています。AとBでは、一方の板の材質を変え、ほかの条件をそろえています。板の面積や果汁の濃さまで同時に変えると、結果の差がどの条件によるのか、一つに絞れなくなります。
「レモン電池の実験」と題名が付いていても、毎回調べる対象がレモンとは限りません。今回は金属です。果汁の種類を調べたいなら、金属の組み合わせなどを同じにした別の比較を組みます。実験の名前より、実際に変えた条件を見る練習です。
電池を数えるときは、果物の個数と分ける
一つのレモンを二つに分け、別々の部分にそれぞれ銅板と亜鉛板を差せば、二組の電池として接続する模型を考えられます。反対に、大きなレモンに板を何枚も差しただけで、必ず独立した電池が増えたとは言えません。液を通じてつながる経路もあるからです。
回路図では、果物の絵の数に頼らず、プラスとマイナスを持つ一組を囲みます。その一組ずつを、どの端子でつないだかをたどってください。直列つなぎは、途中の一組の向きが逆になるだけで、電圧の足し引きが変わります。
例題2｜一つ逆向きなら、三つ分を足せる？
説明用の理想的な電池A・B・Cを考えます。それぞれの電圧は0.8Vで一定、電池内部の抵抗は無視します。三つを同じ向きに直列につないだ場合と、Cだけ逆向きにした場合で、両端の電圧はそれぞれ何Vですか。
答え・解説： 同じ向きなら0.8＋0.8＋0.8＝2.4Vです。Cだけ逆向きなら、AとBが押す向きに対してCは逆に働くので、0.8＋0.8−0.8＝0.8Vです。
電池が三つある、という個数だけでは2.4Vと決まりません。ただしこれは電圧の向きを読む理想模型です。実際のレモン電池は測定中にも状態が変わり、つないだ機器によって端子間の電圧が変わることがあります。計算上の2.4Vから、必ずLEDが明るく光るとまで結論を広げないでください。
記述では、材料と変化を残す
「レモンだから発電する」では、金属板を使う意味が抜けています。「金属と電解液を組み合わせ、化学変化から電気エネルギーを取り出す」と説明できれば、食べ物の不思議から電池の仕組みへ進めます。材料名、外の回路、電流の向きを一枚に置いて考えましょう。
電解液の理解には水に溶ければ、電気を通す？、点灯の判断にはLEDは、向きを変えても光る？が関連します。