電気はどうして光って明るいの? 電子の衝突や紫外線や原子内部のエネルギー差が原因?

電気はスイッチを入れると電球が光りますね。どのようにして何が起こっているのでしょうか。興味がありますよね。

電気で光るものといえば、電球と蛍光灯があります

このふたつは少し違った原理で光るのですが、ここでは、電球がどうして光るのかを説明します。
電気は、電子というとても小さな粒で運ばれます。電子は、もちろん目で見ることはできませんし、たとえかなり電子顕微鏡を使っても見ることができないほど、ごく小さなものです。電気が流れるというのは、この小さな電子の粒が大量に流れることをいいます。
たとえば、豆電球のコードを電池のプラスとマイナスに繋げてみたとします。すると、電子が、豆電球のコードの中を流れ、豆電球の中に入ってきます。
豆電球のガラスの中心部分に、ぐるぐるまきになったところがありますが、ここは、他の場所より電子が流れにくくなっています。ここに電池からでてきた電子が流れこむと、 そこだけ流れにくいために電子が衝突を起こすのです。そのために、そこの温度が上がり、熱くなって光を出すのです。

蛍光灯が光るのは、電球と違う原理です

蛍光灯の中には水銀を含んだガスが入っています。この中を電子が放電によって飛ぶときに紫外線が発生します。この紫外線が、蛍光灯の内側に塗られた蛍光塗料に当たって発光するのです。

ものが光る理由の一つは、ものが熱くなったときに光るんだ。どのくらい熱くなると光るのかというのは、ものによって違うんだよ

ものが熱くなって光るのは君も見たことがあると思うよ。
そう、ものが燃えるときだね。あとは太陽の光とか、トースターでパンを焼くときも中が赤く光っているよね。

じゃあ電球はどうして光るのかというと、スイッチを入れると同じように電球の中もとても熱くなるんだ。電球の中には電気を通すと、すぐにとても熱くなる線が入っているんだよ(”フィラメント”)。

びっくりするかもしれないけど、トースターの中の赤くなる線よりももっと熱くなるんだよ。電球の中には、そのフィラメントが燃えちゃわないように特別なガスが入っているんだよ。電気をずっとつけていた後の電球はとても熱くてさわれないよ。

フィラメントは光るたびに少しずつ痩せていってしまうから最後には切れてしまって、光らなくなってしまうんだよ。光らなくなった電球を振ってごらん。”カラカラ”って音がするでしょ。フィラメントが切れてしまったんだ。

蛍光灯の方は、もっと難しい理由で光るんだよ

;蛍光灯の中にもフィラメントがあるんだけど、それが光り出すまでには熱くはならないんだ。
スイッチを入れると、蛍光灯の中では小さい雷みたいな事がおきるんだよ。その時、フィラメントから目に見えない小さい電子というのが行ったりきたりするようになるんだ。それが、蛍光灯の中にある(電球とは違った)ガスの小さい電子といっぱいぶつかるんだ。その時に光るんだよ。

蛍光灯のガラスは白いよね。特別な白いペンキが塗ってあるんだよ。小さい電子同士がぶつかって光ったのが白いペンキに届くと、その白いペンキは、さらに白く光るんだ。車とか自転車の後ろにも、光を当てると光るのが付いているでしょ。あれと同じような白いペンキが塗ってあるんだよ(蛍光塗料です)。

エジソンが白熱電球を発明したのが1879年。たかだか100年強しか経っていないんですね。
また、エジソンが、世界中を探し回り、やっと実用に耐えられるフィラメントを探し出したのが1881年。「京都・八幡の竹」です。日本と白熱電球意外と深い繋がりです。

光は電磁波の一つでエネルギーの一形態です。粒子の性質もあり波の性質もあります。

また、最近特に普及が目覚ましいLED(発光ダイオード)は、上記の2つとは又違い、二つの半導体物質の原子内部のエネルギー差による発光です
この2つの物質の間を電流が流れるときに、エネルギー差により発光が起こります。2つの半導体の組み合わせにより発光色がかわります。例えば、青色LEDは窒素とガリウムの化合物です

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電球や蛍光灯が明るいのはなんでだろう?

電気照明の歴史
明かりは100万年以上前から利用している
人間は100万年以上前から,ものを燃やすことで「明かり」や「暖ぼう」を得ていたんだ。電球が発明されたのは19世紀になってから。トーマスエジソンが研究と改良を加えて,電気の力を利用した安全で長時間使える「電球」を生み出したんだ。 私たちがよく使っている照明には,白熱電球蛍光灯LED(発光ダイオード)があるけど,実は全然違うしくみで光っているよ。電球はとても熱くなるのに,蛍光灯やLEDはそれほど熱くならないね。

電球のしくみ

2000度以上の高温になるんだよ
光るしくみ <熱を光に変える
電流を流すとフィラメントが熱くなり,温度がどんどん上がると強い光を出すようになって,2000度以上の高温になると白く光るんだ。フィラメントが熱くなるのは,電流が流れる時,電子が物質の中でおこす摩擦熱のせいなんだ。高い熱から出る光を照明として利用しているんだよ。

電球の歴史

電球の歴史には日本も貢献しているよ
1879年にエジソンが電球を発明してから,そのしくみや形はあまり変わっていないんだ。もっと明るくするためにフィラメントを二重に巻いたり,もっと長持ちさせるためにアルゴンガスを入れたりと,いろいろな工夫が続けられています。
現在はタングステンの二重コイルフィラメントでガラス内部にはアルゴンガスが入っているよ。
ガラス内面にシリカをぬってまぶしさを和らげる「シリカ」タイプと,透明なガラスで出来ている「クリア」タイプがあるよ。

電球で大切なのは光る部分のフィラメント

京都の竹が使われたんだ
白色光を出すためには,物体を高温にする必要がある。このため電球のフィラメントには熱に強い物質が必要だったんだ。エジソンはタールとすすをぬった木綿糸を焼いたフィラメントを使って,40時間も光り続ける電球を完成させたけど, もっと長持ちするフィラメントを探し続け,京都の竹を使ったフィラメントの電球を発明したよ。なんと1000時間以上も光り続けたんだ。この電球は以後9年間使われたんだよ。また,フィラメントが空気中の酸素と結びついて切れないように,ガラスの内部を真空にする工夫もされたんだ。

蛍光灯のしくみ

電子と蛍光物質のぶつかり合いで光るんだ
1935年に開発された蛍光灯は,電気のエネルギーだけでなく,紫外線,化学反応,光,圧力などいろいろなエネルギーを使って光っている。結果的に,電気のエネルギーを光に変える効率がいいので,電気の節約になるんだ。現在,さまざまな場所で使われているし,電球のような丸い形の蛍光灯も多く見かけるようになったね。
1. フィラメントに高い電圧をかけると電子が飛び出す。
2. 電子はガラス管の中に浮かぶ水銀の粒にぶつかって紫外線を出す。
3. 出てきた紫外線が,ガラス管の内側にぬってある蛍光物質にあたると,赤,緑,青の光を出し,それが交ざって白色に光って見える。

LED(発光ダイオード)のしくみ

発光ダイオードが光るしくみ
LED(発光ダイオード)は信号機やイルミネーション,照明などに使われているよ。白熱球や蛍光灯に比べて消費電力が少なく寿命が長いんだ。光を出している部分のことをLEDチップというよ。
発光ダイオードは,2つの半導体(電気を通したり通さなかったりするもの)がくっついてできているよ。片方には(+)[プラス]の電気が,もう片方には(−)[マイナス]の電気が多くあるんだ。電気を流すと,電気の粒が動き出し,粒同士が合体し発光するよ。

白熱球、蛍光灯、発光ダイオードの光るメカニズムがそれぞれ違いますね。本当に不思議ですね。みなさん、勉強になりましたか。

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