LEDの原理を理解させる

　　超高輝度LED、電子オルゴール、リード線、乾電池（単三２本）、OHP

1. 　まず超高輝度LEDを乾電池で点灯させる。
2. 　LEDの光る原理を説明する。
3. 　次に、これを逆に使えば光のエネルギーで電流が発生することを説明する。
4. 　OHPのスイッチを入れ、超高輝度LEDをOHPのレンズの近くに持っていく。
5. 　超高輝度LEDに電子オルゴールを接続する。
6. 　音が鳴る。

大型の 超高輝度LED	小型の超高輝度LEDを ７つ並列に並べたもの と電子オルゴール

　LEDは普通のダイオードと構造は同じです。どちらもｐ型半導体とｎ型半導体からなっていて、順方向に電流を流すと、その接合部で自由電子とホールが再結合します。このときのエネルギーが、光の形で出てくるようになっているのがLEDです。

　一方、太陽電池は、ｎ型半導体の基盤の上に薄いｐ型半導体の層をのせた構造をしています。ｐ型の層は光が透過しやすいように十分薄く作られています。これに光を当てると、ｐ型とｎ型の半導体部分で、光のエネルギーのためにホールと自由電子が分離し、ホールはｐ型、自由電子はｎ型を通って、外へ流れていこうとします。

太陽電池の構造	太陽電池の原理

　原理はその通りなのですが、実際にLEDに太陽電池の代わりをさせるためには、普通のダイオードではパワー不足のようで、超高輝度LEDぐらいでないとだめなようです。
　まず、超高輝度LEDを直射日光に当て、端子間の電圧をデジタルテスターで計ってみました。

　結構な起電力が生じることがわかります。赤と緑では、同じ大きさ同じ価格のものでは、赤の方が輝度が高いようですが、このように逆に使っても輝度の高いLEDのほうが光から電気への変換が効率的なようです。
　次に、LEDの端子を電子オルゴールにつないで、直射日光を当ててみました。

やっぱり赤の方が効率がよいようです。秋の日射しで試みましたので、夏ならもっとよく鳴るかもしれません。レンズで集光するとばっちりです。OHPのレンズ付近にLEDをかざしてもよく鳴ります。

　また、電子オルゴールの代わりに電卓に接続してみました。さすがに電卓は電子オルゴールより消費電力が少なく、赤色LEDでも緑色LEDでも、電卓を作動させることができました。計算もできます。

　このように、超高輝度LEDを使えば、太陽電池の代わりがつとまることがわかりました。
　さらに効率を上げるために、赤色LEDを７つ並列にしたものを作ってみました。一つ一つは直径5mm程度の超高輝度LEDです。単独で使うよりも７倍の電流を生むことができます。これを使えば太陽が出ていない日でも、OHP用のランプに直接近づけると電子オルゴールが鳴ります。

　なお、太陽電池は普通の乾電池とは違って電流源として働くので、太陽電池を２つ並列にして使用すれば２倍の電流が得られます。

　光を電気に変えたり、電気を光に変える装置の例は枚挙にいとまがありませんが、超高輝度LEDはその両方を１つの素子でできてしまうわけで、教材としてはなかなかおもしろいと思います。ちょうど、スピーカーとマイクが同じ構造で、電気を音に変えたり、その逆をしたりするのとよく似ています。

　半導体の教材のみならず、エネルギーの教材として、いろいろ使い道がありそうに思います。

1. 　太陽電池を光らせる。

   　この話をパソコン通信のネットワークであるNIFTY SERVEの教育実践フォーラム【理科の部屋】でしたところ、福島県立二本松工業高等学校の山本央明先生から「逆に太陽電池に電流を流すと、太陽電池が光る」という報告をいただきました。太陽電池に10Vの電圧をかけたところ、1Aの電流が流れ、太陽電池の表面が点々と光ったということです。ただ、光らない太陽電池もあって、その原因については、現在研究中とのことです。

2. 　LED通信

   　送信側、受信側双方に超高輝度LEDを使った光通信の実験です。杉並区立科学教育センターの河野晃さんが取り組んでおられます。

「こうのあきらのがらくた箱」

杉並区立科学教育センターの河野晃さんのページです。LED発電のページもあります

　超高輝度LEDで電子オルゴールを鳴らす話は、学研トイホビーの赤尾さんから伺いました。また、太陽電池を光らせる実験は山本先生に、LED通信の話は杉並区立科学教育センターの河野晃さんに伺いました。赤尾さん、山本先生、河野さん、ありがとうございました。