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電気パン、電流はなぜ1度下がる？
牛乳パックにホットケーキミックスを牛乳でといたものをいれ、スレンレス板を極板として１００Ｖをかけてパンを焼きます。 その際負荷に直列に電流計を設置し、電流を計測すると、スイッチを入れて2分後くらいに電流は１回0.2Ｖくらい下がりその後またあがります。 なぜ、1回下がるのでしょうか。また、一番水分が多い最初に電流のピークが来ないで2分後くらいに来るのはなぜでしょうか。 とても気になる現象なので、どなたか詳しい方、教えていただけないでしょうか。 よろしくお願いいたします。
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＃５です。 ＃６でセンター入試の問題に出ているというご指摘がありました。 質問者様の測定値もこの図と同じだと考えていいようですね。 センターの問題には温度変化も載っています。 改めて考えてみました。 問題では電流値のグラフ上にＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの５つの点を設けています。このうちＡ→Ｂ、Ｃ→Ｄ、Ｄ→Ｅの３つの区間については設問でどういうことが起こっているかが問われています。 Ｂ→Ｃについては問われていません。でも質問者様の質問はこの区間についてのものです。特にＣ点手前での極小値についてです。 Ｂ点は電流値が最高になるところですが温度はまだ最高にはなっていません。温度のグラフから読み取ると７０℃ほどです。温度の最高点はＣ点です。温度は１００℃となっていますのでここから沸騰が起こり始めていると考えていいでしょう。 Ｂ点では炭酸水素イオンの熱分解の起こり始めるというのは多分正しいと思います。ただ熱分解が起こるとそこでいくらか熱が消費されますので温度上昇に影響が出てもよさそうに思うのですがグラフには現れていません。いくぶん勾配がゆるくなっている感じがしないでもありませんがハッキリしたものではありません。 Ｂ点から後の電流値の減少は急激ですね。 はっきりした理由は分かりません。 水の量の減少ではないかと考えます。 Ｃから後でも減少していますが似たような傾きです。むしろＢＣ区間での方がきついぐらいです。Ｃから後の減少についてはセンターの問題では水の減少を理由としてあげています。泡による抵抗の増加であればＢ→ＣよりもＣ→Ｄの方がきついはずですから設問の文章がおかしい事になってしまいす。 二酸化炭素が発生し始めるとパン生地の内部に空間（気泡）が出来ます。空間が出来ればそこに水蒸気が溜まります。それまではパン生地の表面からだけしか蒸発できなかったのですが二酸化炭素の作ってくれた空間に蒸発できるようになるのです。でも温度が低いですから水蒸気だけでの空間を作ることは出来ません。水蒸気だけでの空間を作ることが出来るのは沸点を越えてからです。 Ｃ点手前での極小値は二酸化炭素の発生の終わったところ（炭酸水素イオンがすべて消費されてしまったところ）ではないでしょうか。この極小値からＣ点までは「気泡の成長がなくなってしまったので新たな水蒸気の生成がなくなる、しかし沸点よりも温度が低いので水蒸気単独で気泡を作ることが出来ない」という区間になります。温度が上昇する事になります。 沸点に達すると水蒸気単独で気泡を作ることが出来るようになりますので再びパン生地の中の水が減り始めます。（表面に近い気泡ははじけることが出来るでしょうがある程度内部にある気泡ははじけることが出来ません。でもＣＤ区間で水の減少を電流の減少の理由としています。気泡内部への水の蒸発が水の減少にかなり効いているという事になります。） パン生地の表面からの蒸発とパン生地内部での気泡の中への蒸発の両方で水が減っていきます。 パン生地内部気泡は二酸化炭素の作ったものと水蒸気単独で作ったものと２つある事になります。 この辺が電流変化を説明するポイントになるのではないでしょうか。 （こういうことではないかなという気持ちが強くなってきました。） 交流によるイオン伝導ですから溶液でないと無理です。イオンが端から端まで動くという伝導ではありませんので途中に泡があって道が狭くなっているということがそれほど大きく効くようには思えません。 いくらか＃５で考えたものとは異なっている所があります。
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- nktnystk
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sakura54さん こんにちは。 ご質問の件ですが、一度電流が下がるのはホットケーキが膨らみ始めたときに、気泡により電流の通り道が細くなり抵抗が上がるためだと思います。2001年センター試験本試験、物理１Aの問題にこの問題が出題されていました。設問中に一度電流が下がることも言及されています。ご参考にしてください。
お礼
nktnystk様 ＞2001年センター試験本試験、物理１Aの問題にこの問題が出題されていました。設問中に一度電流が下がることも言及されています 貴重な情報をありがとうございました。 早速見てみました。電流が一旦下がる理由として泡が出て電流の流れを妨げると言明はされていませんが、おっしゃるとおり、設問をよく読むとそのように受け止めることができます。 ありがとうございました。
- htms42
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＞スレンレスの極板に100Ｖをかけるとすぐに電流は増え始め2分後くらいに最大値2.3Ａくらいになります。その後0.2Ａくらい下がりまた2.0Ａくらいに戻ります。 最大値２．３Ａから０．２Ａ下がっても２．０Ａよりは大きいですから ＞０．２Ａくらい下がり というのは 「０．２Ａくらいまで下がり」 の意味ですね。 これだとすると ０→（？）→２．３Ａ→０．２Ａ→２．０Ａ→０ という変化になります。 これはかなり大きな変化です。一度電流が流れなくなったという印象に近いものです。 ・電圧をかけて流れ始めた時の値はいくらでしょうか？ ・この３つの電流値のときのパン生地の様子はどういう具合になっているのでしょう。外観から見てはっきりとした特徴のある状態に対応していますでしょうか。 私も今のところ極小値の現れる理由は分かりません。 推測で理由を考えて見ます。 １００Ｖ－１００Ｗの電球に１００Ｖをかけると流れる電流は１Ａです。２．３Ａというのはかなり大きな値です。 ただ２分かけて徐々に極大値に達したというのはパン生地の流動性が上がったということだろうと思います。これは温度が上昇した事によるものでしょう。 ホットケーキミックスの中に含まれている電解質の主なものは食塩（塩化ナトリウム）と重曹（炭酸水素ナトリウム）です。 これは水に溶いた段階でイオンとしてバラバラになっています。電圧をかけて初めてイオンに分かれるのではありません。 直流の電圧をかけて電流が流れる場合は電気分解が起こります。交流の場合はそれだけではありません。電気分解が起こらなくても流れます。コンデンサーに電流が流れるのと同じような流れ方です。電解質が間にあればイオンをゆすってやるような変化が起こります。これが発熱につながることになります。「＃３に塩素臭かった」と書いてありますが電気分解も起こるからでしょう。 交流１００Ｖであれば両方が起こっている事になります。ただその割合がどれくらいであるかは私にはよく分かりません。 ※多分電気分解の程度はそれほど大きくないと思います。 食塩水に直流を流すと電気分解で生じる泡が観察されます。乾電池４つほどであればかなり激しく反応します。１００Ｖの交流につないだ電球の回路の途中に食塩水を入れます。電球は明るく点灯します。でも泡の発生はそれほど激しくありません。少し観察されるという程度です。 焼き上がりで電流が流れなくなるのは水がなくなるからです。 そのことから途中の電流値の変化も水の量と流動性で決まっているように思います。 途中でイオンの種類が変化することも関係しているでしょう。 ・初めは徐々に温度が上がっていきます。それに伴って流動性が高くなり電流が増加します。（水の蒸発は起こっていません。） ・温度が高くなると水の蒸発が始まります。温度上昇による流動性の増加を水の減少による流動性の減少が打ち消すようになりますからある値から徐々に電流値は小さくなっていきます。 ・あるところで重曹の熱分解反応が起こり始めます。 ２ＨＣＯ３^- → ＣＯ３^2- ＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２ ＣＯ２が発生するというのがパンが膨らむ原因になります。 ＨＣＯ３^-とＣＯ３^2-とは質量にはあまり違いがないのですが電荷が２倍違います。電場から受ける力は２倍になります。動きが激しくなるでしょう。水が出来ますので蒸発で減ってしまった分の補充にもなっています （これだと極小値は泡が出始めるあたりにある事になります。） ・初めからあった水、反応によって出来た水の両方が十分少なくなれば出来上がりです。 極小値の出来る理由はこんなものではないかと考えられます。でもあまり自信はありません。
お礼
htms42様 ていねいなご回答感謝いたします。 ＞０→（？）→２．３Ａ→０．２Ａ→２．０Ａ→０ 私の説明がいたらないため、誤解を与えてしまったことをお詫びいたします。何回かやった実験のうち一つの例を書きます。 0分 0Ａ、1分後 1.4Ａ、2.5分後 2,2Ａ（ＭＡＸ）、3.5分後 1.9Ａ（一旦下がる）、4.5分後 2.0Ａ（またあがる）、その後は減少を続け11分後に電流は0Ａとなる。 ＭＡＸあたりでぶくぶく泡が出始め膨らみ始めます。一旦電流が減少してからもう一度上がるあたりでふくらみはだいたい終わりになるようです。 この記録から何かお気づきの点がありましたら教えていただけないでしょうか。 よろしくお願いいたします。
- debukuro
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イオン結合している化合物がイオンに分かれることを解離といいます
お礼
debukuro様 教えていただいてありがとうございました。
- debukuro
- ベストアンサー率19% (3634/18947)
＞一番水分が多い最初に電流のピークが来ないで2分後くらいに来るの＞はなぜでしょうか。 初期電流によって解離が進んだためと思われます ＞スイッチを入れて2分後くらいに電流は１回0.2Ｖくらい下がりその後＞またあがります 電流だと思って イオンが減少して電流が一旦減り温度上昇によってイオンが増加した こんなところだと思います おそらく食塩がイオン化するのだと思います 電気パンと言って子供のころによく作りましたが塩素が出てきて臭いのです
お礼
debukuro様 貴重なアドバイス感謝いたします。 ＞初期電流によって解離が進んだ 解離とは何と何が離れるのでしょうか。 ＞イオンが減少して電流が一旦減り温度上昇によってイオンが増加した イオンはなぜ一旦減少するのでしょうか。 せっかく教えてくださったのに私の基礎知識がないため理解できなくて申し訳ありません。 お忙しいところ恐縮ですが、上記の疑問にお答えいただければ大変うれしく思います。 よろしくお願いいたします。
- htms42
- ベストアンサー率47% (1120/2361)
私にも追加説明をお願いします。 焼き上がりの途中経過と時間の関係です。 ホットケーキを焼く時に起こる変化と対応させて ２分とは何が起こっている時間かを説明していただけると考える手がかりになりそうです。 ・温度が上がり始めたというのが分かる（湯気が出始める） ・水気が少なくなって表面が固体状になる。 ・ポツポツと気体の抜けた穴が開き始める ・色が変わり始める。 ・焼きあがる ・流れ初めの電流値 ・２分後に下がった時の電流値 ・その後の増加した時の電流値と時間 ＞一番水分が多い最初に電流のピークが来ないで2分後くらいに来るのはなぜでしょうか。 ピークというのは極大値のことですよね。最初の水の多いときと比較されています。水の多いときのほうがよく流れるというイメージだと思いますので極大値だろうと思います。でも最初の文章で「２分後に下がる」と書いてあります。ピークという表現と合いません。どちらが正しいのでしょう。 多分焼き上がりでは電流がほとんど流れなくなっていると思います。 ・２分後が極大値であれば一度増えてその後徐々に小さくなっていく。 ・２分後が極小値であればその後に極大値がある事になります。 電流変化の様子が今ひとつピンときません。
お礼
htms42様 ていねいなご回答感謝いたします。 時間と電流のグラフを添えればよいのですが、できないのに説明不足で申し訳ありません。 スレンレスの極板に100Ｖをかけるとすぐに電流は増え始め2分後くらいに最大値2.3Ａくらいになります。その後0.2Ａくらい下がりまた2.0Ａくらいに戻ります。 その後はパンが焼けるにしたがってどんどん電流は減少し、10分くらいで電流は流れなくなりパンは焼きあがります。 なぜ電流が一旦下がるのか、また一番水分の多い最初の時点に電流の最高値が来ないのかが分らないのです。 アドバイスをいただけたら幸いです。 よろしくお願いいたします。
- rukuku
- ベストアンサー率42% (401/933)
はじめまして 実験の状況が分からない部分があるので説明してください。 １．電流は１回0.2Ｖくらい 電流が0.2Vというのはあり得ません。 「電圧が」0.2Vなのか「電流が」0.2Aなのかを教えてください ２．１００Ｖをかけて 電源に何を使用していますか？普通のコンセントですか？それとも専用の電源ですか？ ＞一番水分が多い最初に電流のピークが来ないで2分後くらいに来るのはなぜでしょうか。 １００Ｖの「定電圧」電源を使用していた場合、以下のことが考 えられます。…一つの「仮説」に過ぎません。 １．最初は、水分は十分あるがパンの温度は低い ２．徐々に温度が上がるために、電気抵抗が減る（まだ水分はあまり減らない） ３．水分が減少することにより、抵抗が増える というストーリーが一つの「仮説」として考えられます。 …このストーリーで正しいと証明するには、「温度と水分の変化」をはかるような実験が必要になります。 科学ってのは、仮説と実験・観測の積み重ねで成り立っていますよ。
お礼
rukuku様 さっそくのご回答感謝いたします。 ＞「電圧が」0.2Vなのか「電流が」0.2Aなのかを教えてください すみません。電流が0.2Ａの間違いです。 ＞電源に何を使用していますか？普通のコンセントですか？それとも専用の電源ですか？ 普通のコンセントです。 ご回答の中で、「温度が上がると抵抗が減る」という部分が理解できないのですが。 通常、導体では温度が上がると抵抗は増しますが、電気パンを焼く過程においてはどのような理由で「温度が上がると抵抗が減る」のでしょうか。 教えていただけると大変うれしいです。 よろしくお願いいたします。
お礼
htms42様 いろいろな面から考察されたご回答感謝いたします。 ＞パン生地内部気泡は二酸化炭素の作ったものと水蒸気単独で作ったものと２つある事になります。 この辺が電流変化を説明するポイントになるのではないでしょうか。 ＞交流によるイオン伝導ですから溶液でないと無理です。イオンが端から端まで動くという伝導ではありませんので途中に泡があって道が狭くなっているということがそれほど大きく効くようには思えません。 これらの部分についてはおっしゃるとおり問題解決のポイントとなるように私も思うので、じっくり考えてみたいと思います。 ありがとうございました。