電子工作についていくつか教えて下さい

質問

電子工作の本を読んでいて幾つか疑問がありましたのでお暇があるときに教えて頂けないでしょうか？一部のみでも助かります。宜しくお願い致します。

■電気は貯められないと小学校で習ったが、実はコンデンサーを使うことで貯めることが可能である。また、業務用として大型コンデンサーを使うことで数時間パソコンなどを使うなど実用的な使い方も可能である。○か×か？
Cf,NAS電池など？

■昔、銅とアルミと酢で電池を作り、それを直列に繋ぐことで1．5Vの電圧（テスターで測定）があったが豆電球を付ける事は出来なかった。この理由はなぜでしょうか？
恐らく、電流が足りないため付かないのだと思いますが、電圧と抵抗で電流が決まりますので、電圧さえ決まっていれば、消費電力（ワット＝電圧×電流）は決定していると思うが、教科書に書いてあった通りには行かない。

■上記質問の応用で、市販の1．5V乾電池を100個程度並列に繋いだら、豆電球は直ぐに切れるのでしょうか？

回答No.6

Randomize · ベストアンサー

1番目の質問に補足回答します。他エネルギーではなく電荷として貯蔵する場合で話します。
　パソコンの電源など・・・はまず置いておいて、まずは乾電池とコンデンサで考えます。
　乾電池の容量単位はAh、コンデンサの容量単位はFなのでそのまま同等に扱うのもどうかと言うのはあるのですが、充電式　エボルタ(緑)の場合、2Ahあります。
電荷量は　2[Ah]*3600[s]=7200[C]
　これをコンデンサに置き換えると、電荷[C]=容量[F]*電圧[V]ですので変形して
容量[F]=7200[C]/1.2[V]=6000[F]
となり、一般で見る50Fコンデンサだと電池1本代用させるだけで120個必要と言うことになります。(一応1個4000Fな代物もありますが)
　ただし、これはあくまで単純計算で出した答えで、実際には放電するごとに電位が下がっていくので(電池は切れる寸前まで電圧をある程度維持してくれる)実際にはもう少し多い容量にして更にDC-DCコンバータを仲介するなどの必要性もあるでしょう。これだけ頑張ってやっと電池1本分です。一般家電電源になると・・・・・・とてつもなく大変なことは想像に難くないと思われます。

　もうひとつ、「古い書籍では電気(電荷)は貯められないとある」にも補足回答します。
　上の説明で出した50Fや4000Fという容量は、二重電気層コンデンサというコンデンサでの話です。このコンデンサはサイズの割に非常に容量が大きいことが特徴で、これが出るまでは電解コンデンサ(一般的な大きいもので2200μF、大きくても100,000μF程度)と50Fと比較しても20,000分の1の容量しか貯められませんでした。
　さらに、この電気二重層コンデンサはおよそ20年少し前に発売が開始された比較的新しいコンデンサです。15年位前に私は初めて見たのですが、そのときは5m巻尺くらいのサイズで1Fのコンデンサでした。そのときは「何？この化け物みたいな容量は!!」と驚いたのをよく覚えてます。豆電球が10秒以上灯るのに感激すらしてましたしね。
　なので、20年前くらいでは一般的には一応微量なら貯められるけれども、たまったことを実感できるような容量には程遠い手段しか存在しないために、電荷として貯蔵することは出来ない(非常に困難)と教えられていたのだと思います。

素人の回答ゆえ、間違いなどありましたら申し訳ありません。以上、参考までに

回答No.5

hs001120

>最近、乾電池の互換キットが売られていますが、単純に互換性があると思って使うと大変なことになる可能性もあると言うことでしょうか？

可能性はあります。
ただ、トラブルが起きるケースが多いものは早々に生産されなくなったりします。

所定の電池より、電圧が低いパターンと電圧が高いパターンがありますが
電圧が低いパターンは機器が正常動作しないかもしれませんが、機器そのものが損傷する事はないようです。
なぜなら、基本的に乾電池は使ううちに電圧が下がっていくものであり、電圧が低くなって故障するようでは
乾電池を使用する機器としては、設計に欠陥がある機器でしかないためです。
逆に、電圧が高いパターンは機器が傷むなどのケースがあり得ます。
参考)オキシライド乾電池
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AA%E3%82%AD%E3%82%B7%E3%83%A9%E3%82%A4%E3%83%89%E4%B9%BE%E9%9B%BB%E6%B1%A0

>お値段はともかく理論上は実現可能なのですね。
理論上はというより、お値段はともかく実現はされています。
http://capacitors-forum.org/jp/admission/ecass2/
充放電時の電力ロスの少なさ、充放電回数による寿命交換を考えなくてよいというメリットがありますので
回生充電用などでは実用化されているようです。
http://www.lift.co.jp/distrib/battery_lift/arion/arion_hybrid.html

回答No.4

FT56F001

#1です。

>直列であれば切れると思いますが、疑問に思っていますののは電池を大量に、
>並列にした場合どの様になるかと思っています。
>大丈夫な気もしますが、何だか怖い気がします。

すいません，質問を読み違えてました_o_。
並列接続ですね。
1.5Vの電池を並列に100個つないでも，
電圧は1.5Vしかありません。豆電球は絶対に切れません。

ただし，直流大電流を流せる電源が出来るので，
間違って電源を短絡してしまうと恐そうです。

問1について
コンデンサ，充電式の蓄電池，揚水式の発電所，フライホイール式の電動発電機
などで電気を溜めることはできます。
溜められる電気の量，溜めておく時間，効率(充電と放電の比)，充放電の電力容量，
コストなどで最適な方式が選ばれます。

コンデンサは電荷の形で直接電気を溜めますが，
その他は，化学エネルギー，位置エネルギー，運動エネルギー等に変換して
電気エネルギーを蓄える方式です。

これから，風力発電や太陽光発電など自然エネルギーの利用が進むようになると，
自然の成り行きと人間の都合の間を埋めるために，電気エネルギーを溜める技術
は重要になりそうです。

お礼

再度回答いただきありがとうございます。
並列接続についてとてもよく分かりました。CPUなど僅か数Vですが数ワット使える理由はこの辺りにありそうですね。

問1について
エネルギーを変換すれば確かに可能ですよね。ただ、20年前くらい、何かの教科書が教材（子供向け教材）で直接電気を貯めることはできない。と習った記憶があるのですが、これはなぜでしょうか？
コンデンサでは実用的ではないという判断から、このように断定したのでしょうか？

回答No.3

hs001120

>実はコンデンサーを使うことで貯めることが可能である。

可能です。
コンデンサの容量単位Fは
毎秒1A充電あるいは放電したときに1ボルト(V)の電圧差が生じる静電容量が1F
です、
例えば、100Fの理想コンデンサなら、1A放電で1V電圧が下がるまでに100秒
3時間=10800秒であれば約1万F

>また、業務用として
業務こそ、費用対効果が厳しく問われます。
電池なら○○円で可能な事が、コンデンサで実現すると幾ら掛かるか
ということです。
費用度外視の個人的趣味とかであれば可能です。

>、電圧と抵抗で電流が決まりますので、電圧さえ決まっていれば、

電流を無限に供給可能という理想環境に限って言えばに過ぎません。

例えば、家庭用100Vのコンセントで、抵抗=0.01オームの抵抗を繋げば
1万Aの電流が流れ、100万Wの電力を使うことが出来るかというと
家庭用100Vのコンセントにそんな供給能力は無いです。
その、銅とアルミと酢で作った電池の能力が低かったというだけです。
例えば、ドラム缶いっぱいの酢のなかに巨大な表面積の銅箔、アルミ箔を巻いてつけこめば
豆電球程度は余裕で点灯したはずです。

>上記質問の応用で、市販の1．5V乾電池を100個程度並列に繋いだら、豆電球は直ぐに切れるのでしょうか？

並列なら切れないはずですよ。

ただ、これも状況しだいです。
例えば、今100円ショップにいけば、キーライトとして、ボタン電池4個で
白LEDを直結で点灯させるものがあります。ボタン電池4個で開放電圧は1.5V*4=6Vなのですが
ボタン電池の電流供給能力が低いためにLED接続時には電圧が低くなる事を前提に成り立っています。
ボタン電池を単一アルカリ電池1.5V*4=6Vとか、鉛蓄電池6Vに置き換えると、電圧が落ちないので
LEDは短時間で壊れますよ。

お礼

回答いただきありがとうございます。
業務用と書いたのは極限的な性能が要求さえる一部の仕事では既に使われているかと想定して書かさせて頂きました。また、お値段はともかく理論上は実現可能なのですね。ありがとうございます。

＞電流を無限に供給可能という理想環境に限って言えばに過ぎません。
とても分かり易い説明ありがとうございます！
家庭用電源でショートさせてしまうとブレーカー（30A）が落ちる理由はそこにあったのですね。

キーライトの例ありがとうございます。
電流供給能力が低いことを前提として作られている機器があったのですね。この書き込みを見て初めて知りました。
と言うことは、最近、乾電池の互換キットが売られていますが、単純に互換性があると思って使うと大変なことになる可能性もあると言うことでしょうか？

回答No.2

misawajp

電気は貯められない　は
ある意味正しく　ある意味正しくない

○か×と単純には行きません　条件を明確にし、その条件で実用に耐えるだけの電力が貯められるかどうかです
一番目は、質問者の理解不足を示しているだけ、二次電池を使えばPC程度なら数時間の動作は可能
ただし　コンデンサ使用は適切ではない、単三電池一個分の電力をまかなうのに必要なコンデンサの容量を計算してみてください

2番目3番目は　信号としての電圧とエネルギーとしての電圧(電力)の違いを理解していないだけ

お礼

お礼欄と補足を間違えてしまいました。
失礼致しました。

また、質問文の
Cf,NAS電池など？
部分については除外して下さい。
宜しくお願い致します。

補足

回答いただきありがとうございます。

＞○か×と単純には行きません　条件を明確にし、その条件で実用に耐えるだけの電力が貯められるかどうかです
どういった条件であれば、どういった結果になるのでしょうか？
なお、最低限の条件としては、化学反応や物理エネルギーに変換する以外で、直接電気の状態で貯めると仮定する場合です。

＞一番目は、質問者の理解不足を示しているだけ
どの点の理解不足でしょうか？

回答No.1

FT56F001

問2と3だけ。

> ■昔、銅とアルミと酢で電池を作り、それを直列に繋ぐことで
> 1．5Vの電圧（テスターで測定）があったが豆電球を付ける事は出来なかった。
> 恐らく、電流が足りないため付かないのだと思いますが、
そうですね。豆電球をつけるには数百mAの電流が必要なので，電流が足りないと思います。

> 電圧と抵抗で電流が決まりますので、電圧さえ決まっていれば、
> 消費電力（ワット＝電圧×電流）は決定していると思うが、教科書に書いてあった通りには行かない。

電池には内部抵抗があります。
極板の面積が小さく，電解液中の極板間隔が広くて，電解液が薄いと
内部抵抗が大きくなります。
開放したとき1.5Vの電圧があっても，電流を取り出そうとすると
この内部抵抗のために電池の電圧がグンと下がってしまいます。

さらに銅とアルミと酢のような，原始的な電池では，減極に対する対策がありません。
すなわち，電流を流すと陽極(銅)が水素ガスの泡で覆われてしまい，反応が進まなくなります。
実用的な電池では，これがおきないような対策がしてあります。

> ■上記質問の応用で、市販の1．5V乾電池を100個程度並列に繋いだら、
> 豆電球は直ぐに切れるのでしょうか？
はい，切れます。
2.5V定格の豆電球だと，乾電池5～7個直列くらいで切れてしまう，と思います。

お礼

とても丁寧な回答頂きありがとうございます。

内部抵抗・・・そういえば学生の頃聞いたことがありました。こういった場面で出ていたのですね。昔やった実験と疑問が結びつきました！

＞2.5V定格の豆電球だと，乾電池5～7個直列くらいで切れてしまう，と思います。
直列であれば切れると思いますが、疑問に思っていますののは電池を大量に、
並列にした場合どの様になるかと思っています。
大丈夫な気もしますが、何だか怖い気がします。