静電気チェッカーの製作

「静電気プラマイチェッカー」の製作

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　厚木西高等学校　塚本栄世

第１７回物理実験器具製作会（2004.10.22.実施済）で製作した「静電気プラマイチェッカー」について紹介します。

【１】目的
　静電気の実験において、帯電した物体の電荷の正負を簡単に判別するために使用する実験器具を製作する。

【２】準備するもの
　①基板　１枚
　　...エッチングしてプリント基板を作ってもよいし、万
　　能基板を使用してもよい。
　②トランジスター　２ＳＣ１８１５　３個
　③電子ブザー（３Ｖ用）　１個
　　ＥＢ４１０５Ａ－３０Ｃ１５０　５８０円
　　...今回は演示実験でプラマイチェッカーを使用するこ
　　とを想定して、特別大きな音を出す電子ブザーを使用
　　した。
　　...秋葉原駅前ラジオセンター内（２Ｆ）の「山長通商（株）」（ＴＥＬ：０３－３２５１－９６９１）にて購入。
　④赤色ＬＥＤ　１個　...足の長い方が＋（図１参照）

　④乾電池（単三、１．５Ｖ）　２個
　⑤乾電池ホルダー（単三乾電池２個用）　１個
　⑥００６Ｐ電池スナップ　１個
　⑦透明プラスチックケース　１個
　⑧ボルト（３φ×１０）とナット　各２個
　⑨両面テープ（厚手タイプ）　少々
　⑩塩化ビニール･パイプ（外径１８φ、長さ２５ｃｍ）　１本
　⑪アルミテープ（幅７．５ｃｍ、粘着剤付き）...長さ２５ｃｍ程度
　⑫５ｃｍ×１０ｃｍ程度のプラスチック板
　⑬赤色蓑虫クリップ　１個
　⑭黒色蓑虫クリップ　１個
　⑮リード線（黒）...６５ｃｍ程度の長さ
　⑯リード線（赤）...１５ｃｍ程度の長さ
　⑰カーボン抵抗　４７Ω
　　[参考]ＬＥＤの電流制限抵抗の計算について
　　今回使用するＬＥＤの定格値は、２．１Ｖ、２０ｍＡ（＝０．０２０Ａ）であるので、直流電源（３．０Ｖ）、ＬＥ
　　Ｄ、電流制限抵抗を含む閉回路についての（電源電圧）＝（ＬＥＤにかかる電圧）＋（電流制限抵抗にかかる電圧）
　　の式は電流制限抵抗をＲとおくと、以下のようになる。
　　３．０＝２．１＋Ｒ×０．０２０　→　Ｒ＝４５Ω
　　市販されているカーボン抵抗の中で４５Ωに一番近いのは４７Ωなので、４７Ωの抵抗を使う。
【３】トランジスター　２ＳＣ１８１５について
　･ＮＰＮ型トランジスター
　 ...エミッターはＮ型半導体、ベースはＰ型半導体、コレクターはＮ型半導体

　･直流電流増幅率ｈＦＥ：ｍｉｎ７０　、　ｍａｘ７００
　･ＶＣＥ：６Ｖ
　･足は文字面から見て、左から順にエミッターＥ、コレクターＣ、ベースＢ
　 ...（図２）参照

【４】実験装置の作り方および実験方法
　　　...（図３）、（図４）参照

①基板にトランジスター２ＳＣ１８１５　３個を（（図３）、（図４）のようにハンダ付けする。
②基板の穴２、４に黒リード線をハンダ付けする。...穴４にハンダ付けする黒リード線は長さ５０ｃｍ程度、穴２にハンダ付けする黒リード線は長さ１５ｃｍ程度。
③穴４にハンダ付けした長さ５０ｃｍ程度の黒リード線を透明プラスチックケースのふたに開けられた穴を通して引き出し、その先端部に黒色蓑虫クリップをハンダ付けする。
④プラスチック板の表裏面にぐるっと回すようにアルミテープを貼りつけ（今後これをアルミ板と呼ぶ）、③の黒色蓑虫クリップではさむ。
⑤電子ブザーをボルト（３φ×１０）とナット各２組を使って、透明プラスチックケースのふたの上面に固定し、電子ブザーの端子にハンダ付けされている赤リード線および黒リード線をケースのふたに開けられた穴を通して内側に引き込む。
⑥ＬＥＤを透明プラスチックケースのふた上面の５φの穴に内側から差し込む。
⑦穴２にハンダ付けした黒リード線、４７Ωの抵抗、ＬＥＤを(図４)のようにハンダ付けする。
⑧電子ブザーの黒リード線を穴３にハンダ付けする。
⑨電子ブザーの赤リード線をＬＥＤの＋側の足（長い方）にハンダ付けする。
⑩ＬＥＤの＋側の足（長い方）に長さ１５ｃｍ程度の赤リード線をハンダ付けし、他端を透明プラスチックケースのふたに開けられた穴を通して引き出し、ビニール被覆を取り除いてからハンダ付けして太くする。...この部分をスイッチとして使う。
⑪乾電池ホルダーに００６Ｐ電池スナップを取り付け、電池スナップの赤リード線を透明プラスチックケースのふたに開けられた穴を通して外に引き出す。
⑫　⑪の赤リード線に赤色蓑虫クリップをハンダ付けする。
⑬電池スナップの黒リード線を穴１にハンダ付けする。
⑭乾電池ホルダーに単三乾電池２個を入れる。

【５】実験方法
①　【４】⑫の赤色蓑虫クリップで⑩の赤色リード線先端部をはさむ。（これでプラマイチェッカーの電源が入ったことになる。）
②プラマイチェッカーのアルミ板に＋に帯電した物体を近づけて離すと、近づけるときにはＬＥＤが点灯すると同時に電子ブザーが鳴るが、遠ざけるときにはＬＥＤが点灯せず、電子ブザーも鳴らない。
③プラマイチェッカーのアルミ板に－に帯電した物体を近づけて離すと、近づけるときにはＬＥＤが点灯せず、電子ブザーも鳴らないが、遠ざけるときにはＬＥＤが点灯すると同時に電子ブザーが鳴る。
④電荷の正負が分からない帯電体をプラマイチェッカーのアルミ板に近づけて離すとき、②、③のどちらの結果が出るかによって帯電体の電荷の正負が判定できる。

【６】プラマイチェッカーの原理
　このプラマイチェッカーはＮＰＮ型トランジスター（２ＳＣ１８１５）３個を接続して入力電流を３段に増幅することにより、１段目のトランジスターのベースに流れるごくわずかな電流を大きく増幅して電子ブザーを鳴らしたり、ＬＥＤを点灯したりするものである。仮に、トランジスターの直流電流増幅率ｈＦＥが１００であるとすると、入力電流を３段に増幅することにより１００×１００×１００倍（＝１０６倍＝１００万倍）の出力電流が得られることになる。従って､例えば、１段目のトランジスターのベース電流が１０ｎＡ（＝１０×１０－９Ａ）であるとき、３段目のトランジスターのコレクター電流は１０×１０－９×１０６Ａ（＝１０×１０－３Ａ＝１０ｍＡ）となり、電子ブザーを鳴らしたり、ＬＥＤを点灯したりすることができる電流のオーダーになる。
　ところで、電子やホールの動きを元にプラマイチェッカーの作動原理を考えると、正に帯電した物体をアルミ板に近づけると、アルミ板の帯電物体に近い側に電子を引きつける（１段目のトランジスターのベースのホールの数が増える）ので１段目のトランジスターのベースに電流を流し込むことになり、３段のトランジスターによって次々と電流を増幅して最終的に電子ブザーを鳴らしたり、ＬＥＤを点灯したりすることになる。ところが、この正に帯電した物体をアルミ板から遠さける時は１段目のトランジスターのベースとエミッターのＰＮ接合に逆電圧をかけることになるので電子ブザーを鳴らしたり、ＬＥＤを点灯したりすることはできない。それに対して、負に帯電した物体をアルミ板に近づけるとときは電子ブザーを鳴らしたり、ＬＥＤを点灯したりすることはできないが、負に帯電した物体をアルミ板から遠ざけるときは１段目のトランジスターのベースに電流を流し込むことになり、電子ブザーを鳴らしたり、ＬＥＤを点灯したりすることになる。

【７】その他の応用
　このプラマイチェッカーは感度が非常によく、電荷の正負の判定に威力を発揮する。その他、工夫次第で以下のようないろいろな応用が考えられる。　(１)１段目のトランジスターのベースとコレクターを発泡スチロール板を間にはさんだ２枚の銅板に接続し、その２枚の銅板にまたがるようにティッシュペーパー、木材、たこ糸、人間の手、...等、高抵抗であっても微小電流を流すものを置くとブザーが鳴り、ＬＥＤが点灯する。ところが、各種プラスチック、ロウソク、...等の絶縁体を置くと、そのようなことは起きない。　(２) プラマイチェッカーに２個のＬＥＤ（赤、青）を＋、－逆に並列接続したものを製作し、正（負）に帯電した物体をアルミ板に近づけると、赤（青）色ＬＥＤが点灯する。　(３)２段増幅、４段増幅のプラマイチェッカーを製作する。

【８】参考文献
①「理科教室　１９９５　７月号」の「３段アンプ」（石井信也）
　②「理科教室　１９９６　６月号」の「３段アンプで広がる物質の世界」（石井登志夫）