【中学技術】エネルギー変換を図解で総まとめ—発電・回路・運動のしくみ｜武蔵野個別指導塾

発電方法ごとの変換の矢印、V=R×I の計算、歯車の速度伝達比を、朝の坂と自転車の変速を例に図と例題で手を動かして身につけられます。

よくあるのは、朝の通学路の坂を自転車で上りながら、今日の技術のテスト範囲を頭の中でさらっていて、途中で止まってしまう場面です。火力発電は「熱で電気をつくる」までは言えるのに、その熱の前に何のエネルギーがあったのかが出てきません。変速のレバーで軽いギアに入れたとたん脚が楽になったのに、それがテストに出る速度伝達比と同じ話だとは気づかないまま、坂を上りきってしまいます。

発電、回路、歯車が別々の暗記に見えている人ほど、この単元は重く感じます。けれども中身は、エネルギーの形が変わる順を矢印でつなぐ話と、電気や回転の受け渡しを計算する話の 2 本です。読み終えるころには、発電方法ごとの変換の順を書き、回路図を読んで電流を求め、歯数から回転の速さを出せるようになります。

この単元で押さえること

• エネルギー変換: 電気、熱、光、運動、化学などの間で形を変えて利用することです。形が変わっても全体の量は変わりません。
• 発電方法の比較: 火力、水力、原子力、風力、太陽光、地熱について、もとのエネルギーと長所、短所を対にして覚えます。
• 回路と図記号: 電源、負荷、導線、スイッチでできた道筋を、決まった記号で描きます。
• 電流、電圧、抵抗: V=R×I で結ばれた 3 つの量です。単位を A、V、Ω にそろえてから計算するのが決まりです。
• 直流と交流: 向きが変わらないのが直流、向きが周期的に変わるのが交流です。周波数は東日本 50 Hz、西日本 60 Hz です。
• 機構と変換効率: 歯車、リンク、カムで運動を伝えたり形を変えたりします。変換効率は、もとのエネルギーのうち目的の形で使えた割合です。

理科で学ぶ電流の計算を道具として使い、この先はセンサで受けとった情報でモータを動かす計測と制御の学習へつながります。

基本の考え方

エネルギーは消えず、形を変えて使われる

坂の朝を例にします。朝ごはんの化学エネルギーが体の中で使われて脚の運動に変わり、自転車を坂の上へ押し上げます。上りきった高さには位置エネルギーがたまっていて、下り坂ではそれが運動エネルギーに戻ります。タイヤの回転で動くライトの発電機では、運動が電気に、電気が光に変わります。ブレーキをかければ、運動は摩擦で熱になります。形はこれだけ次々に変わるのに、全体の量は増えも減りもしません。

ただし、すべてを目的の形に変えられるわけではありません。ライトなら光にしたいのに、一部は熱になって周りへ逃げます。そこで使うものさしが変換効率で、次の式で求めます。エネルギーの単位には J（ジュール）を使います。

変換効率(%)=目的の形で得られたエネルギー÷もとのエネルギー×100

LED 電球が白熱電球より少ない電力で同じくらいの明るさを出せるのは、電気を熱にしてしまう割合が小さく、変換効率が高いからです。省エネルギーとは、我慢して使わないことだけでなく、この割合を上げる工夫でもあります。

発電は矢印で覚える

発電所の多くは、何かの力で羽根車を回し、それにつながる発電機を回して電気をつくります。発電機の中では磁石とコイルの位置関係が変わり続け、コイルに電流が流れます。これが電磁誘導です。つまり発電方法の違いは、図1のように、回転にたどり着くまでの道のりの違いとして整理できます。

図1で灰色の帯を見てください。運動のます目は、タービンや水車、風車の回転を指しています。太陽光の行だけはこの帯を素通りして電気へ届きます。太陽電池は光を直接電気に変えるので、タービンも発電機も使いません。図に入れていない地熱発電は、地下の熱でつくった蒸気でタービンを回す方法で、火力の燃料を地球の熱に置きかえたものと考えると頭に収まります。

長所と短所は、次の表のように対にして押さえます。

回路と、電流・電圧・抵抗

電気が流れる道筋を回路といいます。回路は、電気を送り出す電源、電気を使って仕事をする負荷（ランプやモータ）、それらをつなぐ導線、流れを切りかえるスイッチでできています。回路図はこれらを決まった図記号で表したものです。電池の記号は長い線がプラス極、短い線がマイナス極で、電流はプラス極から出て回路をひと回りし、マイナス極へ戻ります。

3 つの量は水の流れにたとえるとつかみやすくなります。電圧（V、ボルト）は水を押し出す力、電流（A、アンペア）は流れる水の量、抵抗（Ω、オーム）は流れにくさです。関係は V=R×I の 1 つだけで、求めたい量に合わせて I=V÷R、R=V÷I と形を変えます。

電圧と電流をかけると電力（W、ワット）が出ます。100 V のコンセントで 1200 W のドライヤーを使うと、1200÷100=12 A が流れます。テーブルタップに「合計 1500 W まで」と書かれているのは、超えるとコードが発熱し、火災のおそれがあるからです。家電の表示にある定格の値は、この安全な範囲を示しています。

直流と交流

乾電池のように流れる向きが変わらない電流が直流、家庭のコンセントのように向きと大きさが周期的に変わる電流が交流です。交流が 1 秒間に繰り返す回数を周波数といい、単位は Hz（ヘルツ）です。東日本は 50 Hz、西日本は 60 Hz で、静岡県の富士川と新潟県の糸魚川を結ぶあたりが境目とされます。

送電に交流が使われるのは、変圧器で電圧を変えやすいからです。遠くへ送るときは電圧を高くして電流を小さくし、送電線で熱として失う分を減らします。家の近くで電圧を下げ、コンセントへ届けます。スマートフォンの充電器は、その交流を直流に直して電池へ送っています。

運動を伝え、形を変える機構

モータやエンジンの回転を、必要な速さや動き方に変えて届けるしくみを機構といいます。運動の形には、ぐるぐる回る回転運動、まっすぐ行き来する往復直線運動、一定の角度で揺れる揺動運動があります。形は例題の節の図3で確かめます。

• 歯車: かみ合った 2 つは逆向きに回ります。速度伝達比=原動側の回転速度÷従動側の回転速度=従動側の歯数÷原動側の歯数です。従動側の歯数が多いほどゆっくり回り、そのぶん軸を回す力（トルク）が大きくなります。
• スプロケットとチェーン、プーリとベルト: 離れた軸に回転を伝え、2 つの軸は同じ向きに回ります。スプロケットは歯数で、プーリは直径で、歯車と同じように計算します。
• リンク機構: 棒をつないだしくみです。回転を揺動に変えるてこクランク機構（自動車のワイパー）、回転と往復直線運動を変換する往復スライダクランク機構（エンジンのピストンとクランク）が代表です。両側とも揺れる両てこ機構、両側とも回る両クランク機構もあります。
• カム: 特別な形の板を回し、触れている従動節を動かします。回転の中心からの距離が長い所で従動節は押し上げられ、短い所で下がります。エンジンの弁の開け閉めに使われています。

坂の話に戻ると、後輪にスプロケットが何枚も並んだ自転車で軽いギアに入れる操作は、後ろの歯数を増やして速度伝達比を大きくする操作です。ペダルを回す回数は増えますが、踏む力は小さくて済みます。回転の速さと回す力は引きかえの関係にある、という一文がこの節の芯です。

例題で解き方を確かめる

例題1　変わり方から発電方法を見分ける

次の A〜C のエネルギーの変わり方にあてはまる発電方法を答えなさい。A 位置→運動→電気、B 光→電気、C 化学→熱→運動→電気。

1. 最初の形に注目します。もとのエネルギーは発電方法ごとに違うので、ここが一番の手がかりになります。
2. A は位置から始まるので、高い所から水を落とす水力です。図1でも位置から始まる行は水力だけです。
3. B は運動を通らないので太陽光です。回転を使わずに電気をつくるのは、図1の中では太陽光だけだからです。
4. C は化学から始まって熱を通るので火力です。同じく熱を通る原子力とは、もとが核である点で区別します。

答え: A 水力、B 太陽光、C 火力

例題2　回路図を読んで電流を求める

図2の左の回路で、スイッチを閉じたときに流れる電流は何 A ですか。また、抵抗を 30 Ω に取りかえると電流はどうなりますか。

1. 図から電圧と抵抗を読みとります。図2の回路は 3 V の電池と 15 Ω の抵抗が 1 本の道でつながっているので、式に入れる数はこの 2 つです。
2. 求める量に合わせて式の形を変えます。電流を出したいので、V=R×I を I=V÷R に直します。
3. 数を入れて計算します。3÷15=0.2 となり、単位は V と Ω で計算したので A です。
4. 抵抗を変えて同じ計算をします。3÷30=0.1 となるので、抵抗が 2 倍になると電流は半分になる関係も確かめられます。

答え: 0.2 A（200 mA）。30 Ω にすると 0.1 A に減ります。

例題3　変換効率を比べる

電球 A は 50 J の電気エネルギーから 5 J の光を、電球 B は 20 J の電気エネルギーから 6 J の光を出します。変換効率が高いのはどちらですか。また、B で光にならなかったエネルギーは何 J で、どうなりましたか。

1. A の変換効率を求めます。5÷50×100=10 で 10% です。もとの量が違うので、光の量そのものではなく割合に直して比べます。
2. B の変換効率を求めます。6÷20×100=30 で 30% です。同じ式を使うことで、比べる条件をそろえています。
3. 残りを求めます。20-6=14 で 14 J です。エネルギーは消えないので、差の分はどこかへ移ったと考えます。
4. 行き先を書きます。光にならなかった分は主に熱となって周りへ逃げます。電球を触ると熱いのはこのためです。

答え: 変換効率が高いのは B（30%）。光にならなかった 14 J は主に熱になります。

例題4　歯車の回転を定期テストの形で解く

図3の左の歯車で、原動側の 12 歯の歯車が 1 分間に 120 回転しています。(1) 速度伝達比を求めなさい。(2) 従動側の 24 歯の歯車は 1 分間に何回転しますか。(3) 従動側の回転の向きと、回す力の変化を答えなさい。

1. 歯数を原動と従動に分けて書き出します。どちらが動力を受けとる側かを取り違えると、答えが逆になるからです。
2. 速度伝達比を求めます。従動側の歯数÷原動側の歯数なので、24÷12=2 です。原動側が 2 回転する間に従動側が 1 回転するという意味です。
3. 従動側の回転数を求めます。速度伝達比は原動側÷従動側でもあるので、120÷2=60 です。大きい歯車の方が遅いという見通しと合っています。
4. 向きと力を考えます。かみ合った歯車は接する所で同じ方向へ動くため、軸のまわりでは逆向きに回ります。回転が半分になる代わりに、損失を考えなければトルクは 2 倍になります。

答え: (1) 2、(2) 60 回転、(3) 原動側と逆向きで、回す力は大きくなります。

図3の中央のカムと右のクランクは、どちらも回転を往復に変えますが、動く幅の決まり方が違います。カムは、円板の中心をずらして回した形であれば、回転の中心からの距離が最も長い所と最も短い所の差だけ従動節が動きます。点線の円は半回転した後の位置です。クランクでは、ピストンが動く幅はクランクの半径の 2 倍になります。

まちがえやすいところと直し方

単位を直さずに式へ入れてしまう

誤った書き方: 「200 mA の電流が 15 Ω の抵抗に流れている。電圧は 15×200=3000 V」

どこが違うか: V=R×I は電流を A で入れる式です。mA のまま入れると、答えが 1000 倍にふくらみます。乾電池ほどの小さな回路に 3000 V という値が出た時点で、おかしいと気づける場面でもあります。

正しい書き方: 200 mA=0.2 A と直してから、V=15×0.2=3 V と計算します。式を書く前に、単位を A、V、Ω に直す 1 行を置く癖をつけると防げます。

速度伝達比の割り算を逆にする

誤った書き方: 「原動側 12 歯、従動側 24 歯なので、速度伝達比は 12÷24=0.5。従動側は 120÷0.5=240 回転」

どこが違うか: 図3の左を見ると、大きい歯車を 1 周させるには、小さい歯車が 2 周しなければなりません。歯数の多い従動側が 240 回転と速くなる答えは、図の動きと合いません。

正しい書き方: 速度伝達比は 24÷12=2、従動側は 120÷2=60 回転です。割り算の前に「歯数が多い方がゆっくり回る」と余白に書き、どちらの数が大きくなるはずかを決めておきます。

周波数を電圧の大きさと取り違える

誤った書き方: 「西日本は 60 Hz だから東日本より電圧が高い」「乾電池は 50 Hz の交流」

どこが違うか: 周波数は 1 秒間に繰り返す回数で、電圧の高さとは別の量です。図4の右は 50 Hz と 60 Hz を同じ山の高さで描いたもので、違っているのは山の間隔です。1 回の繰り返しにかかる時間は、50 Hz で 0.02 秒、60 Hz で約 0.017 秒です。図4の左の乾電池は向きが変わらないので、周波数という考え方があてはまりません。

正しい書き方: 「家庭のコンセントは東日本が 50 Hz、西日本が 60 Hz の交流で、違いは向きが変わる回数」「乾電池は直流」と書きます。

用語のまとめ

練習問題

練習1　(1) 原子力発電のエネルギーの変わり方を、もとの形から電気まで矢印で書きなさい。(2) あるモータに 400 J の電気エネルギーを与えると、300 J の運動エネルギーが得られました。変換効率は何 % ですか。

練習2　(1) 6 V の電源に 20 Ω の抵抗をつなぐと、流れる電流は何 A ですか。(2) 10 Ω の抵抗に 300 mA の電流が流れているとき、かかる電圧は何 V ですか。(3) 100 V のコンセントで 1000 W のヒーターを使うと、流れる電流は何 A ですか。

練習3　前のスプロケットが 36 歯の自転車で、後ろのスプロケットを 12 歯にしたときと 24 歯にしたときについて、それぞれの速度伝達比と、ペダル 1 回転あたりの後輪の回転数を求めなさい。また、坂を上るときに踏む力が小さくて済むのはどちらですか。

練習4　次の説明にあてはまるしくみの名前を答えなさい。(1) エンジンのピストンの往復直線運動を回転運動に変える。(2) 自動車のワイパーのように、回転を揺動に変える。(3) 特別な形の板を回して弁を押し下げる。また、(3) で回転の中心からの距離が最も長い所が 30 mm、最も短い所が 20 mm のとき、従動節が動く幅は何 mm ですか。

答えと解説

練習1: (1) 核→熱→運動→電気。熱で水を蒸気にしてタービンを回す流れは火力と同じで、違うのは最初の形だけです。(2) 300÷400×100=75 で 75% です。残りの 100 J は主に熱になります。

練習2: (1) I=V÷R なので 6÷20=0.3 A です。(2) 300 mA=0.3 A と直し、V=10×0.3=3 V です。(3) 電力=電圧×電流なので、1000÷100=10 A です。

練習3: 後ろ 12 歯は 12÷36=1/3 で、ペダル 1 回転あたり後輪は 3 回転します。後ろ 24 歯は 24÷36=2/3 で、後輪は 1.5 回転します。踏む力が小さくて済むのは速度伝達比の大きい 24 歯の方で、その代わりペダル 1 回転で進む距離は短くなります。

練習4: (1) 往復スライダクランク機構、(2) てこクランク機構、(3) カムです。動く幅は距離の差なので、30-20=10 mm です。

次の単元へのつながりと確かめ方

回路図と V=R×I は、情報の技術で学ぶ計測と制御でそのまま使います。センサが受けとった情報をもとにモータやランプを動かすとき、負荷に合った電圧と電流を考えることになるからです。歯車やカムも、モータの回転を目的の動きに変える部品として再び登場します。

家で 5 分あれば、次の 2 つで確かめられます。1 つ目は、扇風機やドライヤーなど目についた家電を 2 つ選び、電気が何に変わるかを矢印で書くことです。扇風機なら電気→運動、ドライヤーなら電気→熱と運動です。2 つ目は、充電器の小さな文字を読むことです。入力に AC、出力に DC と書かれていれば、交流を直流に直している証拠です。

個別指導では、V=R×I で止まるお子さまには、式の前に小数の割り算と単位の直し方まで戻って確かめます。歯車で止まる場合は、紙に大小の円を描いて 1 周ずつ指でたどるところからやり直します。

まとめ

発電所の電気も、自転車のライトの光も、もとの形から矢印を引けば 1 本の線になります。レバーを 1 段軽くしたときの脚の楽さも、歯数の割り算でそのまま数字になります。矢印と比の 2 つを手が覚えていれば、広く見えた範囲は同じ問いの繰り返しに縮みます。朝の坂は、歯数の比とエネルギーの矢印で書き切れる、一題の問題です。