APDahlen Applications Engineer
はじめに
あらゆるデバイスがオームの法則に従うわけではありません。すべての材料が、過度に単純化された線形関係に従うわけではありません。抵抗器はオームの関係に従いますが、白熱電球は非オーム的な（曲線状の）電流-電圧（I-V）関係になることをご説明します。
図1： 白熱電球はDC電源の出力に直接接続されています
実験の再現に必要な部品
図1に示すオームの法則の実験は、以下の部品を使用して実施しました。主要部品についてはDigiKeyのリンクを掲載しています。
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電圧と電流を表示できる直流電源装置。B&K Precisionの 1760A が代表的な例です。
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JKL Componentsの type 7268 白熱電球。この電球の定格は5V DC、125mAです。
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Vishayの40Ω 1W抵抗器。この抵抗器は、白熱電球の温度上昇に伴う抵抗値の変化に合わせて選んだものです。
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ブレッドボード
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22AWG ワイヤ
手順
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実験指導員と協力して、図1に示す白熱電球回路を組み立ててください。
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電球の発光を確認して、回路が作動していることを確かめてください。
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電源を0.5V DCに設定してください。
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対応する電流を表に記録してください。
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図2に示すように、表中のすべての電圧について、手順3および手順4を繰り返してください。
図2： 白熱電球と抵抗器の電流および電圧データ
技術的なヒント： 必ず予備のランプを注文してください。何人かの生徒がやりすぎてしまうことが必ずあるためです。ちょうど彼らが「なんて明るいんだろう」と感嘆する頃には、電球が切れてしまうでしょう。
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電源を切ってください。
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白熱電球を40Ω 1Wの抵抗器と交換してください。
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表に記載されたすべての電圧について、電流を記録してください。
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電源を切ってください。
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電圧を横軸に、電流を縦軸として結果をプロットしてください。結果は図3と同様になるはずです。
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あらゆる電圧値について、白熱電球と抵抗器の双方の抵抗値を計算してください。
図3： 白熱電球と抵抗器の電流-電圧特性
これは、オームの法則についてどのようなことを示しているのですか？
すべての材料が線形関係に従うわけではありません。白熱電球は非オーム特性です。
直線にはどのような意味があるのですか？
直線は、オームの法則が実際に作用していることを示します。
この実験は、抵抗器において電流と電圧が線形関係にあることを示しています。これに対し、電球の抵抗値は実験範囲内で13Ω～41Ωの間で変化します。
抵抗器と電球の両方について、電流と電圧の関係を説明してください。
抵抗器は、オームの法則で予測されるように、電流と電圧の間に線形の関係があります。白熱電球は非線形な応答を示し、印加電圧の関数として抵抗が増加します。低温時の抵抗値は約13Ωであるのに対し、白熱状態での抵抗値は約41Ωとなります。
なぜその抵抗器が選ばれたのですか？
この抵抗器は、白熱電球の白熱状態における抵抗値に合わせるために選ばれました。電圧が定格電圧の時、抵抗器の電流は電球の電流と一致します。
後の授業では電力について学びます。この場合、5V DCで動作する際に公称0.6Wを消費するため、より大きな1Wの抵抗器が必要となります。言い換えれば、7268 は0.6Wのランプであり、同じ電力を消費できる抵抗器が必要となります。
抵抗器が発熱して真っ赤に光っている場合、その抵抗値は変化するのですか？
この実験に基づくと、抵抗値が増加すると予想されます。しかしながら、抵抗器の熱的特性を把握していないため、必ずしもそうなるとは限りません。これは将来に向けて良い練習となるかもしれません。特に温度依存性によって悪影響を受ける可能性のある精密な回路に遭遇した際には、なおさらです。
ところで、もし抵抗器が発熱して光っているなら、抵抗値は問題になりません。残りの抵抗体が燃焼するため、すぐに無限大になるからです。
次のステップ
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別の白熱電球で繰り返してみてください。例えば、代表的なクリスマスツリー用の2.5V電球はブレッドボード上で使用できます。また、2.5Vの 7732 や10Vの 8095 など他の電球も選ぶことができます。
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生徒に任意の白熱電球を渡し、適当な抵抗器を選ばせてください。
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実験は、電圧計を2台用いて行ってください。1台は電球の両端の電圧を測定するため、もう1台は電球を流れる電流を測定するために使います。
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白熱電球を備えたウィーンブリッジ発振器に注目してください。ランプ抵抗の変化が増幅器のゲインを安定させるために不可欠であることを説明してください。
技術的なヒント： 電球が光ることで、学習者と指導者の双方が回路の動作を確認できます。
白熱電球は、技術者やエンジニアの世代にとっての出発点でした。残念ながら、LEDへの移行が進むにつれ、その人気は衰えてしまいました。私の提案としては、LEDは別の機会に取っておかれることをお勧めします。
対象となる読者
本記事は、電子工学の正式な授業を開始する大学1年生～2年生のSTEM学生向けに作成されています。オームの法則を学生に理解させるための手法やアイデアをお探しの教育関係者の方が対象です。
カリキュラムの早い段階でオームの法則を実演
この実験は、電子工学における最初の実験として最適です。学習者は以下のことを行います。
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図1に示す回路をブレッドボードに組み立ててください。
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ほぼ確実に回路のトラブルシューティングを必要とするミスを犯すと思いますが、これは多くの人が認識している以上に重要です。なぜなら学習者が将来複雑な回路を扱う際の成功への基盤を築くからです。
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電源装置を操作してください。
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電源装置から電圧と電流を読み取ります。
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電流と電圧の関係をグラフ用紙にプロットしてください。そう、グラフ用紙を使用して、直感的なアナログの理解を深めるのです。
実験の実施前に行う技術セッション
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以下の方法を実演してください。
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電源を3.5V DCなど、希望の電圧に設定します。
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電圧と電流を表示できるように、電源を設定します。
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オームの法則をおさらいし、計算を覚えやすいカバーアップ法を実演してください。
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完全な回路の概念をご確認ください。白熱電球を使用すると、回路が動作している様子がより見やすくなることに言及してください。
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著者について
Aaron Dahlen氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間教壇に立ったことによってさらに強化されました（経験と知識の融合）。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。
Dahlen氏はミネソタ州北部の自宅に戻り、コンデンサの探求から始まった数十年にわたる旅を終えました。 彼の物語はこちらでお読みください。