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検波回路について

ー検波回路のはたらき

検波という言葉はあまり聞き慣れない言葉です。英語のdetectという言葉は「見つける」「発見、探知する」などの意で、「検波」というのは専門用語です。「検」という字は「調べる」という意味がありますから、「波を調べる」ということでしょうか。電信の初期には「現波器(げんぱき)」という語も使われていました。

検波回路は、同調回路によってふるいにかけられ選ばれた高周波電流から、次の音声回路によって耳に届く音に変えることのできる低周波信号audio signalを取り出す回路です。そしてこの検波回路に鉱石を使用するのが、まさに鉱石ラジオなのです。「検波detection」あるいは「検波器detector」という言葉の示す内容は、初期の火花放電、無線電信、無線電話などによって必ずしも一定ではありませんが、目に見えない電波を検出して人間に感じさせたり利用したりするうえで、 とても重要なところです。

鉱石検波器のいろいろ

小林健二自作鉱石検波器(従来の鉱石検波器と違い、形状や発想がユニークなので、画像を付加しました)
[天然系検波器]

まずは鉱石の形をそのままに検波器としたものです。ぼくは鉱石の色や形をなるべくそのままに、機能を持たせたいと考えていろいろ実験をしました。実験中はよいのですが、その感度のいい状態を継続して安定させるのはけっこう難しいものでした。

もちろんさぐり式検波器の場合、いかにして針を鉱石の敏感なところにいい接触状態といい圧力をもって安定しつづけるかがいつも問題になります。このようなむき出しの鉱石を使う検波器でいちばん問題となる点は、鉱石自身と導体部分の接点抵抗をいかに小さくし、またそこにコンデンサー成分をなるべく作らないかということです。とりあえずさぐり式の鉱石を固定する方法を用いてハンダで接触面を大きくしようとしても、大きな結品の標本の場合だとどうしても温度の高い状態を長くしないとならないので、その熱が鉱石の感度を下げてしまうらしいのです。

そこでぼくが思いついたのは低融点金属でした。この金属を使うとその熱の問題をクリアできるばかりか作業性も高く、鉱石の表面によくのびてとでもよくくっつき、コンデンサー成分も作りません。なにしろ75℃ 前後で工作できるわけですから、紙などで角型やコーン型にした筒の先を切り、その先をあらかじめあたためた鉱石のうらから当て溶けたものを流し込めばよいのです。

天然系検波器1の検波器はそのようにして作りました。またこの4点のものは結晶の形がおもしろいというだけでなく、本来なら不向きのところがあるのです。たとえば中央上の磁鉄鉱とその下の赤鉄鉱です。磁鉄鉱はもともと検波器の素材のひとつに上げられるものですが、この標本のように天地5 cmくらいのわりに大きなものになるととでも直流抵抗が高くなってしまい、検波どころか電流はほとんど流れてくれません。また赤鉄鉱のほうも同じで、板状結晶のこの標本の場合、埋め込んでしまうわけにもいかないので真鍮の厚い板に低融点金属で接着してあります。

この2つのようなとても高抵抗な鉱石は導体との接着面の面積を大きくしたり、見かけの状態ではわからないように導体の部分が針の接点のところに近くまで寄ることで抵抗を低くして、大きな結晶のままや結晶状態を観察しながら検波することが可能となります。

また左に自然銅、右に入エビスマスの標本を使ったものがありますが、これらは逆にほとんど導体なので検波にはむずかしいタイプですが、このように台に付けておくと、うすい硫酸や修酸、あるいは二酸化セレン(ビスマスの場合)による弱い腐食によって、酸化もしくは亜酸化皮膜ができて、ときとしてうまい整流作用を持つのでそれによって検波をすることもできるのです。

自作鉱石検波器

ー検波器の役割

同調回路で選択された高周波電流は、このままではイヤフォンやヘッドフォンのような音声記号によって耳に聞こえるようにする部分へ直接流しても、音にはなかなかなってくれないのです。

変調された高周波電流
変調された高周波電流を整流してその中に含まれている低周波成分を取り出すことを検波という。
右に示した整流で、 ドの部分が完全にカットされているのは理想的で、鉱石検波器では順方向にも少々抵抗があり、また逆方向にも少し電流が流れるので、 上部は多少頭打ちになり、 ド部の電流によりその分オrち消され、さらに高周波がコンデンサーによって慣らされる分、全体的にさらになだらかになってしまう。
理想的な検波器(整流器)は順方向には抵抗値がゼロに近付けば近付くほど、また逆方向には無限に抵抗値が高ければ高いほど性能(この場合感度)はよくなる。

なぜなら、空中線回路のところで説明するように、電波として空間に飛ばすために音声信けは変調されていて、波形は図のように上下対照のような形になっているからです。このままでは上下の電圧が互いに打ち消し合ってしまい、音にはなりません。仮に音になったとしても、あまりに周波数が高すぎてヘッドフォンの振動板を動かすことができないばかりか、仮に動かせても人間の耳には周波数が高すぎて聞こえません。

そこで下の部分をカットして上の部分だけにして、コンデンサーでさらにそのすき間を埋めることで音声信号を取り出すのです。

[整流とは]
交流の電波を整流器(電流を一方向にしか通さないもの)に通すと下の部分がカットされる。このようなことを整流するという。

さらにコンデンサーを並列につなぐとコンデンサーがちょうどプールのように作用して、脈打つ流れをなだらかにする。コンデンサーの容量が大きければより直流の波形に近づく。

検波器がどのように作られていったのかをお話ししたいと思います。検波器は電波の発見や利用の方法によって、いろいろと変化してきました。

ー電波の発見

ファラデーの生前、「電気磁気学」は決して一般的な語にはなりませんでしたがファラデーが亡くなる少し前に、「電気磁気学」の磁力理論を数学的な裏づけによって証明しようとする人間が現れます。スコットランド生まれの物理学者、マクスウェルJames Clerk MAXWELL(1831-1879)です。

彼は天体望遠鏡で土星などを観察することが好きで、土星の輸は実は数百万の小天体の集まりだ、と結論したりしました。数学を使って1864年から約10年間ファラデーの理論を研究し、電気と磁気は互いに切り離せないもので、これらは光と同じように波となって空間を伝わる性質をもっている、と発表しました。彼はまさに電波(電磁波)の存在を予見していたのです。

マクスウェルは生前、自分が死んだときのために用意した寝棺を毎日覗き込んでいる、と近所の人々に噂をたてられたりしました。それは長さが8フィート(約2.43m)の箱を、光の実験をするのに使用していたためでした。彼はよく実験嫌いの理論家と言われますが、決してそういうわけではなかったようです。ただ、電波の存在を実験によって確かめることは難しく、彼の存命中には彼自身も含め誰もその存在の確証を得ることはできませんでした。電波が空間を伝わってゆく現象は、光の明るさのように目に見えたり、熱線のように肌に暖かかったり、音のように耳に聞こえたりはしません。ですから体験的に人間にはなかなか「感じにくい」ものでした。

やがでマクスウェルが亡くなる年、またしてもバトンタッチをするように、彼の導いた電磁波方程式に関心をもつ青年がドイツに現れます。物理学者のヘルツHeinrichRudolf HERTZ(18571894)です。

1886年、ヘルツは不思議な出来事に遭遇します。ハイデルベルクに近いカールスルーエの工業高等学校で教育に携わるかたわら放電現象を研究中だった彼は、ライデン瓶を使って電磁誘導の実験をしていました。そのときライデン瓶に高圧の電荷を帯電させていたら、過剰に帯電したライデン瓶がスパークしたのです。すると同時に、すでに帯電させて部屋の隅に置いてあったもう一つのライデン瓶がスパークしました。この2つのライデン瓶の間に何か目に見えない力が作用したのは、確かなことでした。

ヘルツの初期のライデン瓶による実験

そしてそれは、電気通信の歴史上、最も偉大な瞬間でもあったのです。

彼は実験を重ねるうちに、この放電をする側とそれを受けて共振する側の間に作用する何かが、反射、屈折、偏光性などの現象が、すべてマクスウェルが予見した理論と 一致することを証明し、 1889年にこのことが発表されると世界は初めてこの目に見えない電磁波の力を知ることになったのです。ファラデーの構想に始まり、マクスウェルの数学によって美しく組みあげられ、ヘルツによって初めて実証されたのです。

[放電とは]
放電現象は+から―に向かって一瞬にして起こるように見えるが、実は図のような
通底した2つの水位の異なる水槽の水が多いほうから少ないほうに流れ込んで何度
となく往復するうちに水位を合わせるように、あるいはまるでギターの弦がはじか
れて振動するように、中和するまでの間電荷が行き来して振動する。この振動数(周
波数)に共振する長さの導体に共振し、それが共振器(検波器)となる

*鉱石検波器の作動原理については次回で説明したいと思います。

*この記事は、小林健二著「ぼくらの鉱石ラジオ(筑摩書房)」より抜粋編集しております。

KENJI KOBAYASHI

 

鉱石ラジオの回路とそのはたらき[コイル後編]

小林健二設計製作「火星人式交信鉱石受信機(固定L型同調)」

これは手前に件んでいる古風な火星人の腕の先にワイヤーを触れるように握手させると、メッセージが聴取できるというものです。それぞれの腕は基本的にコイルのタップで、しかも小さなインダクターによってあらかじめ局を固定してあります。

前出の蝶類標本型と同じで、これらの受信機のアンテナはあらかじめ決まったものを使用します。他のアンテナを使うとCやLの定数が合わなくなって放送が聞こえなくなることがあるからです。空飛ぶ円盤の中と台の中にコイルがあり、この2つのコイルを可動させることでヴァリオカップラーのようにある程度調整できると考えました。もっとも工作上の外観を重視したため、あまり効果は上がりませんでしたが・・・・。火星人の頭の中には固定式で作った感度のよい検波器が入っています。もし作ってみようと思う方がいたら、ダイオードを用いたほうがよい結果が出ると思います。

画像は自作コイルのいろいろ。左上・ソレノイドコイル、中上・スペース巻コイル、右・ビノキュラーコイル、左下・Dコイル、その右・ソレノイドコイルの一種。

画像は左上・芯のついたラジアルバスケットコイル、中上・ウェーヴコイル、右上・クラウンコイル(小林健二設計と製作)、左下・スポークコイル、中下・スパイダーコイル(大正時代のもの)、右下・ナローバスケットコイル。

画像は左上・シェルフィッシュコイル、右上と左下・オルタネートコイル、中下 ソリッドコイル、右下・レイヤー巻コイル。

ヴァリアブルインタクター

コンデンサーに可変型があるように、コイルにも誘導係数を変化させるものがあります。これには下の画像で示したようにいくつかのタイプがあります。

画像はL・Cチューナー(同調器)。
これはコイルとコンデンサーをあらかじめひとつに組み立てて同調器としたものです。同調する周波数によっていくつかのタイプがありました。

画像はヴァリオメーター(カップラー)の一種。

ヴァリオメーター(カップラー)の一種。
画像は初期の木製のもの。

画像はルーズカップラー。中のコイルを出し入れして相互誘導係数を変化させます。

画像はチューニングコイル。左は小林健二自作。中央は初期のもの。右は現在でも米国で売られているもの。

コイルからタップを出してそれを切り換えるしくみのもの、接点をスライドさせることで変化させるもの(スライドチューナーslide tunerと言います)、これらは主に自己インダクタンスを変化させるものです。

これとは別に相互インダクタンスを変化させるものもあります。並列につないだ2つのコイルの距離や向きを変えることでコイルの結合度を変化させるヴァリオカップラー、また形状はヴァリオカップラーと変わりませんがそれぞれのコイルを直列につないで変化の幅を多くとっているヴァリオメーターなどです。

アンテナコイル

これは本来アンテナのようにラジオのセットの外部に出したりもしますが、基本的にはコイルとして同調回路の一部として考えられるものです。ですから、アンテナコイルをラジオに取り付けた場合、ラジオ内部の同調用のコイルははぶかれることが多いわけです。ぼくが自作した鉱石標本式受信機に応用したコイルもその一種です。

「鉱石標本式受信機」小林健二設計製作

これは検波のできる鉱石を探しているときに思いついたもので、鉱石による検波の違いを確かめようと作ってみたものです。この一見すると古めかしい鉱石標本箱の中には、検波のできる鉱石や電気すら通さない鉱石がいろいろ入っていて、それらにタンタルの金属針で触れていきます。LやCはすでに箱の中の見えないところにセットされていて、 JOAKとFENが聞けるように調整されています。コイルは昔式の紙を貼り合わせシェラックニスを塗った巻枠に、昔若草色だった風に2重絹巻き線を染めて作りました。鉱石の入っている標本箱の底全体には、見えないように厚さ0.1mmの錫箔がしわを付けて敷いであります。またコンデンサーはトリマーと呼ばれる半固定のものと固定のコンデンサーを使いました。単純な発想の受信機ですが、検波を初めて体験する人たちにはとても不思議に見えるようで好評です。

*この記事は、小林健二著「ぼくらの鉱石ラジオ(筑摩書房)」より抜粋編集しております。

KENJI KOBAYASHI

鉱石ラジオの回路とそのはたらき[コイル中編]

小林健二の自作鉱石ラジオ「蝶類標本型鉱石式受信機」

蝶類標本型鉱石式受信機

標本の部分は一般的な方法で作ってあり、蝶たちは命を失っても美しい姿をとどめています。ここにはぼくの好きな9つの個体が標本になっていて、このうちのいくつか(全での個体に当てはまる数だけの局を分離できなかったので)は、その個体を貫いている虫ピンに導線を触れることでラジオとして聴取することができるようになっています。虫ピンの裏側には固定したコンデンサーを直列にしたり並列にしたりすることで同調点を決定しています。この構造もそして機構も簡単なものですが、虫ピンに触れながらラジオを聴いているとちょっと不思議な心持ちになります。 トーマス・エジソンが晩年に霊界通信機を構想していたと言われていますが、もしそのような通信機がほんとうにあったとしたら、こんなに儚い有機質があしらってあるかもしれません。

コイルの実際

鉱石ラジオを製作する上で、コイルを自分なりに作り上げるということは、工作上とても大きなところです。どんな形のものを設計したとしても、コイルとしてのいくつかの条件さえ満たしていれば、それなりに機能するばかりか、ときにはとでもすばらしい成績が出たりするのです。

また見た日も立派に作れたりするので、単純におもしろかったりもします。

実際ラジオ受信機の黎明のころにはさまざまな形状のコイルが登場し、中にはとても奇妙なものもあって興味がつきないところです。設計した人の名前や形状から、各人がコイルにいろいろ名前をつけたりしてみるのも一興です。昔のコイル等から代表的なものをいくつかあげてみましょう。

1 、ソレノイドコイル(solenoid-coil 筒線輪)筒状の芯の上に導線を巻いた最もポピュラーなコイルです。また、形は筒状の芯を使っていても、導線の巻き方で性能や特徴、そして名称が異なってきます。以下14までは芯としてはノレノイドコイルと同じものです。

2 、スペース巻コイル(space-wound coil 間隔巻線輪)巻線と巻線の間をあけて巻いたものです。このタイプと区別するために上記のソレノイドコイルを密巻コイル
(tight-web -coil1 密巻線輪)と言うこともあります。

3 、バンク巻コイル(bank winding coil 俵積巻線輪)俵を積むように巻いたコイルで、 2層や3層、4層などの巻き方があります。3層巻きの場合、 三重バンクコイル
(three layer banded winding coil 三層俵積巻線輪)などといいます。

4、 オルタネート巻コイル(alternate wound coil 交互巻線輪)外見はバンク巻と同じですが、 1層巻いたちょうどその上に2層目を巻くという方法で巻いたものです。

5、レイヤー巻コイル(layer winding coil 間層巻線輪)オルタネート巻コイルの層と層の間に紙や布、プラスチックなどを挟み込んで巻いたものです。

6、 逆巻ソレノイドコイル(reversed winding coil 逆巻筒線輪)導線を巻いていってちょうど半分のところから逆向きに巻いたものです。

7、ツイスト巻コイル(twisted pair winding coil 双捻巻線輪)導線を巻く前にすでに捩じっておいてから筒状のものに巻いていきます。

9 、無芯コイル(non-cored coil 無芯塞流線輪)芯を使用しないで導線だけをコイル状に巻きます。たいてい高周波ニスなどで固めてあります。

8 、無誘導式コイル(non-indutive coil 無誘導巻線輪)図に示したように逆巻きのコイルを途中でつなげた巻き方です。

10 、ディーコイル(D-coil D型巻線輪)図のように筒型の芯の中ほどを切り取り互い違いに巻いていくものです。

11、 8字コイル(figure”8″coil 8字巻線輪)図のように2本の筒型の芯にちょうど8の字になるように巻いたものです。

12 、ビノキュラーコイル(blnocular coil ビノキュラ式線輪)8字コイルの2本の芯を少し左右に離したものです。

13、 双眼コイル(double reversed solenoid-coil 双眼式線輪)2本のソレノイドコイルを逆巻きにして並べて合わせたようなものです。

14 、スケルトンコイル(skeleton-form cored coil 骨組巻枠線輪)なるべくコイルが絶縁物に接する部分を少なくするために考えられたものです。たいていスペース巻きにします。

15、 ボードコイル(slab coil 平板巻線輪)四角い板状の枠に巻いたコイル全般をいいます。

16 、スパイラルコイル(flat spiral coil 渦巻線輪)渦巻きのように導線を巻いたもので、外側に支持体をつけます。

17 、スパイダーコイル(spider-web coil 蜘蛛巻線輪)枠板に導線を放射状に、蜘蛛の巣のように巻いたものです。

 

18、 パンケーキコイル(pancake winding coil 平巻線輪)スパイダーコイルとよく似ていて区別しない場合も多いけれど、巻線が交互になっていて板厚が厚いものが多い
ようです。

19 、ラジアルバスケットコイル(radial basket web coil 放射状籠編線輪)籠を編むようにして作るので、このように呼ばれます。

20、 クラウンコイル(crown web coil 王冠巻線輪)これはバスケットコイルに近い巻き方で、ぼくが設計したコイルです。

21、 ダイアモンドコイル(diamond wave coil 大亜編線輪)図のようなコイルで、横から見るとダイアモンド型に見えるのでこの名がついています。

22 、ウェーヴコイル(web winding coil 波形巻繰輪)まるで波うっているように見えるところからつけられた名前です。

23、 スポークコイル(spoke web coil 卓輪巻線輪)車輪状に導線を巻いたコイルです。

24、 パドルコイル(paddle wheel coil 多重車輪巻線輪)図のようにある回数巻くと次の段へいくという巻き方をします。

 

25、 単ハニカムコイル(honeycomb uni lateral web coil 単蜂巣線輪)多層に蜂の巣のように巻かれるので、このように呼ばれます。

26、 複ハニカムコイル(honeycomb duo lateral web coil 複蜂巣線輪)単巻きのハニカムコイルに似たものですが、下の層の導線と上の層の導線がずれるように巻いたものです。

27、ローレンツコイル(Lorenz coil ローレンツ式線輪)デンマークの物理学者ローレンツL .V. Lorenz(1829-1891)が実験に使用したバスケット型のコイルです。

28、ナローバスケットコイフレ(narrow basket web coil 狭籠編線輪)バスケットコイルの一種で5つとばしくらいで密に巻いたものです。

29、ルーズバスケットコィル(loose basket web coil 疎籠編線輪)バスケットコイルの一種で、途中の巻きわくをはずして巻いたものです。

30、レーナンツコイル(Renaz web coil レーナッツ式線輪)レーナッツ社のパスケットコイルの一種で、太めの巻線でゆるめに、 3つとばしくらいで巻いたものです。

31、トロイダルコイル(troidal coil 環状線輪)ドーナッツ状に巻いたコイル。

32、トルソレノイドコイル(torusolenoid coil 環状反転巻線輪)トロイダルコイルを途中より反転巻きにしたもの。Ross Cunn氏の命名。

33 、ディーエックスコイル(D-X coil D-X巻線輪)考え方としてはDコイルの変種です。Dコイルではソレノイドコイルのボビンに切り込みを人れて巻いたのに対して、D-Xコイルは14本の柱の間を互い違いに線を巻いていきながら、半分の7本目からDコイルのように反対側に飛んで巻いていきます。この際、どうしても柱に線がからまない部分がでてきますが、その時は糸などで固定しながら巻き進めます。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

34、 ウェーヴリングコイル(wave ling coil 波形線輪)図では偶数になってしまいましたが、実際は奇数で筒状に互い違いに巻いたものです。

このようにコイルの巻き方や作り方はさまざまあって、 一概にどれがよいということはできません。それぞれの日的によって作られているのでこのようにたくさんの形が出てくるのです。たとえばソレノイドコイルのようにぐるぐると線が巻かれてゆくと、導体自身はつながっているにもかかわらず、線と線の間にはちょうどコンデンサーと同じように容量ができてしまい、計算上の値を狂わせるだけでなく、高い周波数の交流を通してしまったりして、いろいろ問題を作る原因になったりするのです。

ですからスペース巻きのように線と線の間を離したり、バスケット巻きのように向かい合う線を少なくしたりする工夫が出てくるのです。コイルについてよく「Qを高くする」とか「Qがいい」という表現を使うのですが、Q(キュー)とはQuality factorの略でコイルの特性を表しています。すなわちコイルのなかに発生するコンデンサー分が少なければ少ないほど、また同じ巻線の長さでもインダクタンスが多ければ多いほど、「Q」は高くなると考えてよいと思います。
また8字巻きは、コイルから出る磁力線が他の回路によけいな影響を与えないように、磁力線が互いに反対方向で閉磁路にしようとしたものです。途中から逆巻きにした巻き方は、誘導する力を相殺するように考えられています。その他にもいかにして外形を小さくするかを考えたものもあります。
これは後で説明しますが、長い波長の同調回路だとラジオ全体がとても大きくなることがあるので、製品として売るために小さくしていこうという工夫もありました。たとえばスパイダー巻きとかバンク巻きも、ある意味でその考えを反映させているかもしれません。
工作するときには自分が好きな形だからというのも立派な理由になりますし、それが思ったよりも特性としていいものになったりするかもしれません。

自作クラウンコイル

*近日中にコイルについて後編はアップ予定です。

*この記事は、小林健二著「ぼくらの鉱石ラジオ(筑摩書房)」より抜粋編集しております。

KENJI KOBAYASHI

 

鉱石ラジオの回路とそのはたらき[コイルについて前編]

「超小型実験室型鉱石受信機」小林健二の自作鉱石ラジオ

これは、鉱石ラジオを設計したり実験したりするために必要なだいたいの部品や材料が組み込まれた、持ち運びできる小さな実験室といったふうのものです。上部のガラスケースはステンドグラスの技法で作り、全体は木で作ってあります。この本の板は近所の印刷屋さんの前に積んである、紙を運ぶためのパレットと呼ばれるものをわけでもらいました。プレーナーのかかっていないザラザラの本の板が妙に懐かしい感じで好きなので、見かけよりずいぶんと手をかけで作ったものです。

中には3種類の太さの導線、7種類のコイル、5種のゲルマニウムダイオード、3種のヴァリコン、 10種のコンデンサーとインダクター、 7種20個の鉱石、タンタル、ニッタル、タングステンのワイヤー、雲母板、錫およびアルミ箔、鉱石を手入れするためのアルコール、各種ネジ金具、金属素材、ナイフ、 ドライバー、小型のニッパー、回路図を書き込んだ小さなノート、クリスタルイヤフォン、ツマミ、LC周波数割り出し表、鉛筆、消しゴムなどが入っています。

中心にあるメインコイルは引き出し式になっていて、その奥には秘密データが入っています。窓はプレパラート用の薄いガラスで作り、ノブは昔からある自分の机のものを使いました。底の部分にはコイルアンテナが埋め込んであり、ローディングコイルを用いた引き出し式のアンテナも備えであります。

全体の色は自作したテンペラ絵具で、牛乳から作ったガゼインと孔雀石を粉にしたマウンテングリーンでできています。ぼく以外の人にはあまり意味のない工作に思えますが、ぼくのお気に入りの一つです。ひまがあると少しずつ手を入れたり、また取り外したりして楽しんでいます。

◎コイルができるまで

ガルヴァーニの実験

コイルcoilは日本語では「線輪」と訳されました。今ではほとんど誰も使っていない言葉ですが、まさに導線をぐるぐる巻いたものだというイメージがよくわかります。

コンデンサーのところでライデン瓶について書きましたが、そのような静電気に関する事柄は19世紀の初めのころから病気の治療などを目的としてさかんに用いられました。電気ショックによる筋肉収縮運動にも関心が集まり、医学者や生理学者たちの研究室には摩擦起電機の類が備えつけられていました。

1780年秋のある日、イタリアのボローニア大学の解剖学者ガルヴァーニLuigiGALVANI(1737-1798)の研究室で奇妙なことが起こりました。 1説によれば、彼がカエルの脚の皮をはいだまま外出したとき、彼の妻がたまたま起電機のそばにおいであったメスでその脚に触れたとたん、死んでいるはずのカエルの脚が痙攣したというのです。驚いた妻はガルヴァーニにそのことを知らせました。ガルヴァーニはこのふしぎな電気的現象の研究に没頭してさまざまな実験を繰り返したのち、それまで静電気を「樹脂電気」と名付けていたのに対し、 11年後の1791年に「動物電気」という論文を発表しました。その現象は帯電体に触れるだけでなく、 2つの異なった金属を互いに筋肉の神経に触れさせても起こることをふまえて、電気がカエルの筋肉の中にたまっているからだと結論したのでした。

この論文はある意味でとでも魅力的でした。この時代、生命の本質という謎を解くかぎと考えられていた「生命力」という大問題を扱っていたからです。同じイタリアのヴォルタもはじめはこの論文を信じていたものの、医者でもあった彼はどうも腑に落ちないと考えはじめました。これら一連の実験は何か別の方向を指しているように思われたのです。

やがてズルツァーJohann Georg SULZER (1720-1779)が発見した、亜鉛板と銅板の一端に同時に舌を接触させると刺激を感じるという事実を知り、先の現象の原因をガルヴァーニとは逆に金属の方に求められるとしたのです。やがでこれは1796年に亜鉛板と銅板、そして塩水をしみ込ませた紙とを何層にも重ねてつくられたヴォルタのパイル(堆体)に発展し、数年間実験をつづけた後で1800年に論文として発表し、俗に言うヴォルタ電池として人々に認められたのです。

ヴォルタの電堆

◎磁気作用の発見

こうして科学者たちは、それまでの摩擦などによってつくられる静電気static electricityに加え、導体の中を流れる動電気dynamic electricityを手に入れました。これによってその後30年でつぎつぎと大きな原理が発見され、これらが土台となって近代の電気学が築かれたといっても過言ではないでしょう。

特筆されるのは1820年のデンマークでの一つの発見です。

コペンハーダン大学の物理学教授だったエノンステッドHans Christian OERSTED(1777-1851)が学生たちに電気を熱に変える問題について講義をしているとき、たまたまヴォルタ電池に接続されて電流が流れていた銅線のそばに置いてあった磁針(コンパス)方位計が、通常指すはずの南北とは異なる方向を指していることに気づきました。ところが電流を切ると磁針計はふたたび正常に南北を指すのです。

不思議に思ったエルステッドは研究を始め、電流によって磁気が発生することを明らかにしたのです。

◎磁気誘導。磁界・磁力線

磁界

それは図のように1本の導線のまわりに輸のように発生する磁力線の集まりで、磁界と呼ばれています。やがてアンペールAndre Marie AMPERE(1775-1836)が電流の流れる方向に対してねじを回し入れる向きに発生することを発見し、「右ねじの法則(アンペールの法則)」と呼ばれることになります。これらの磁気に関する発見によって古代から電気と同じように不思議であった磁鉄鉱などの磁力が、電気によって人工的につくりだせることがわかりました。

磁束

1本の導線を束ねたり輪の形にぐるぐる巻いたりすると、回りに発生している磁力線が重なって磁束となり、より強くなってきます。

このような状態の線の輸がコイルであり、このようにして導体を巻いたものの中に鉄などの磁性体を入れると磁力はさらに強まり、俗に言う電磁石となります。

磁気誘導

また図のようにすでに磁石となったものの場合S極はN極とよくくっつきますし、まだ同極どうしは反発します。小さな磁石が2つあってくっつくと、くっついた面のSとN極は全体を1つの磁石とするように磁力線がはじからはじへとつながります。このようなことを磁気誘導というのです。

この磁力線の性質をまとめて書くと、以下のようになります。

1、磁力線の密なところは磁界が強く、疎になるにしたがって磁界は弱くなる。

2、磁力線はN極から出発してS極に戻る。

3、磁力線の両端には必ずS極N極がある。

4、磁力線はゴム紐のような性質があり、長さの方向には縮もうとし、それに垂直な方向には膨張しようとする。

5、同じ極の磁力線は互いに反発し合う。

◎コイルのはたらき

磁力線の量の変化

前にお話ししたように、 1本の導線に電流が流れると図のようにその導線の周囲に磁力線が生じます。導線の形を(a)のように近接して折り返した場合、流れる電流の向きが互いに反対であるので、磁力線もそれぞれ反対方向に生じて互いに打ち消し合います。しかし(b)(C)とだんだんとその中央部を膨らませていくと、線がつくる面積はしだいに大きくなってゆきます。

このようになるとこの間に生じる磁力線はおたがいに助長し合うように働くため、(a)と同じ電流を流しても磁力線がより多く発生します。 このようにコイルに電流を流したとき、それによって発生する磁力線のことをそのコイルの自己インダクタンスと言って、巻線の径が大きければ大きいほど、また巻数が多ければ多いほど、磁力線は多く発生します。

コイルのはたらきー巻く線の径や密度が大きくなるとインダクタンス量もそれにつれて大きくなる 単位はマイクロヘンリー( μH)

自己インダクタンスは通常インダクタンスと言って、記号はコイルと同じLで表します。単位は自己誘導を発見したと言われるヘンリーJoseph HENRY(1797-1878) の頭文字からとったヘンリー(H)で表します。ただ、ヘンリーはとでも大きな単位なので1000分の1のミリヘンリー(mH)あるいは100万分の1のマイクロヘンリー(μ H)などが通常使われます。

また先ほども言いましたが、コイルの中に磁性体等を入れることで磁束密度はとでも増えるので、インダクタンスも大きくなります。

またコイルはその特徴として、コンデンサーとはまったく逆な「直流は通しやすいが交流は通しづらい」という性質を持っています。なぜこのような働きをもっているのか、次に説明してみましょう。

コイルに直流の電源をつないで電流を流したとします。コイルはもともと導線を巻いたものですから、もちろん電流は流れます。ただ最初の少しの間ちょっと電流が流れづらい瞬間があるのです。これはコイルに電流が流れるときにできる磁力線の磁束が、逆にコイルに流れる電流の流れを妨げようとするはたらきがあるためでこれはまた回路の電流を切るときもそのまま流れつづけようとする性質でもあります。

たとえて言えば、重い材質でできた車輪みたいなものがあるとします。その車輪を急に回転させようと思っても重いので、最初すぐは動かないでだんだん速度を上げていくと少しずつ楽に回転するようになります。そして一定の速度を保っているとほとんど抵抗を感じなくなるはずです。ところが止めようと思ってブレーキをかけるように逆向きに力を加えても、今度はなかなか止まってくれません。これがコイルの持っている性質で、このはたらきを逆起電力といいます。ですから直流のように一方向の電流を流した場合、最初と最後にはんのわずか影響があったとしても、流れつづける電流に対してはまったくと言っていいほど影響が(もちろん導線自体が本来もっている抵抗はそれなりにあったとしても)ないように見えるのです。

反対に交流のように向きが時々刻々と変わる電流を流すと、周波数が高くなるにしたがい、だんだんとその抵抗が増してくるのです。ですから直流は通しやすくても交流、特に高い周波数ほど通りにくくなります。

このコイルの周波数によって受ける抵抗を誘導性リアクタンスと言って、記号は(XL)、単位はオームで表します。

コイルのこの性質を説明したついでに、導線などが本来持っている抵抗について少し触れてみたいと思います。銅などの良導体であっても線材や導体には多少抵抗があり、これは超電導体などの抵抗値0(ゼロ)というような特殊な状態ではない場合、コンデンサーをつなぐ線もコイルを形づくるものにもすべて存在しています。

これらは通常直流抵抗と呼ばれます。

また電気回路を設計するときに、電気の流量を制御するために回路上に抵抗体を入れたりすることもあります。抵抗は(R)の記号で表されますが、これはレジスターの略です。その値はレジスタンスという単位でオーム(Ω )で表します。また、その1000倍のキロオーム(kΩ )あるいは100万倍のメグオーム(MΩ )なども使います。

抵抗ーその導体自体が持っている抵抗分 記号R 単位Ω

◎コイルと位相

交流がコンデンサーを通ったときと同じように、交流がコイルに流れるとやはり位相は変化します。ただしこの時はコンデンサーとはまったく逆で、 1/4周期すなわち90° 位相は遅れることになるのです。

なぜそうなるかと言うと先ほど説明したように、コイルに交流の電圧を流そうとするとまったく逆方向に電圧を発生させる逆起電力というものができてしまいます。そのために逆方向の電圧の妨げが停止してから電流が流れはじめるので遅れてしまうのです。

コイルと位相

わかりやすくするために図によって説明します。

①のように交流電圧がゼロから最大までは、コイル内では点線で示すように流れを妨げようとする逆起電力もゼロから最大になるのでまだ電流は流れません。②では交流の電圧が減って、しだいにゼロになるのにともない、逆起電力もしだいにゼロになってゆくので、コイル内に電流が流れはじめます。ゼロになった時点で電流はピークとなります。③のように電圧が今度はマイナスの方へ大きくなってゆくとやはり逆起電力のためにしだいに電流は減ってゆき、しだいにゼロになってゆきます。④マイナスの電圧がピークを過ぎると、逆起電力もピークを過ぎるので、コイル中にしだいに電流が流れはじめるのです。

このようにコイルにかかる電圧よりも電流のほうが山半分すなわち4分の1ずつサイクルが遅れてしまうので、位相が90°遅れるということになるのです。

◎相互誘導

相互誘導

コイルにはもうひとつとでも大事な特徴があります。図のようにコイルが2つ(もしくはそれ以上)磁力線の方向に並んだときに、磁力線によって互いに影響し合うという性質があるのです。図のAのコイルに電流が流れることで磁力線が発生し、その磁界の中にコイルBを入れると、コイルBに磁束が通ることで、コイルBの中にも電圧が発生します。

このように2つのコイルが電気的には切れていても、磁束などによって誘導されることを相互誘導といいます。またその程度は2つのコイルが磁力線の方向で近ければ近いほど、磁界の向きがそろえばそろうほど強くなり、コイルの中を磁性体などでつないだりすれば磁束の密度はより高まり、誘導する値も大きくなります。この値を示すのが相互誘導係数(相互インダクタンス)といって、記号に(M)を用い、単位は自己インダクタンスと同じヘンリー(H)をつかいます。

*近日中にコイルについて後編はアップ予定です。

*この記事は、小林健二著「ぼくらの鉱石ラジオ(筑摩書房)」より抜粋編集しております。

KENJI KOBAYASHI

 

鉱石ラジオの回路とそのはたらき[コンデンサー後編]

透明ラヂオ
これは全体的に無色のラジオです。コイルは無色の石英ガラスの筒に銀の導線を使って作りました。ヴァリコンは白雲母の薄片に錫箔を貼り、セルロイドの透明な棒で回転体を作りました。検波器にはピーコックパイライトを使いました。
この鉱物標本は10年ほど前にパキスタンの業者から手に入れたもので、黄鉄鉱の表面がところどころ水色や紫色になっていて、しかも無色の水晶と共生していてとでも美しかったので使ってみたのです。鉱石の台は錫にアンチモンを加えたもので作り、支持体はガラスのカップを使いました。全体は無色の有機ガラスでできていて、有機ガラス板を曲げるのにはあらかじめ型を作る必要があります。また端子やツマミも、導体部分以外は透き通るようにポリエステルなどを使い工夫しました。この受信機を朝早くに聞くと、 とてもわくわくした気持ちになります。

固定コンデンサーの実際

ここで実際に作られたコンデンサーをいくつか見てみましょう。

マイカコンデンサー(固定コンデンサーの中でもマイカを使用したもの)

1745年に原理の発見ともいえるライデン瓶が作られて以来のコンデンサーの歴史の中でも、マイカコンデンサーはかなり古くからあったもので、およそ150年くらい前からつくられています。マイカは他の誘導体にくらべ、シビアに容量を追い込め、また湿度や高周波にも安定しているからです。

日本でも三陽社(日本通信興業KKの前身)が1915年(大正4)には生産していました。よくジャンク屋等で見かける旧式のマイカコンデンサーはいまだにその性能を高く評価され、とりわけアメリカのデュビリア社やサンガモ社製のものは高価でマニアに人気があります。

固定コンデンサーの基本的構造

ヴァリアブルコンデンサーの実際

鉱石ラジオの回路の中で、今までお話ししてきたようなコンデンサー、つまり固定コンデンサーだけではなく、その容量を変化させることができる可変容量蓄電器variable condenser通称ヴァリコンが大切な役割をするのです。コンデンサーの性質を説明したときに「その容量は対向している導体の面積とその導体の間の距離によって決まってくる」と言いました。ですから、その容量を変えたいときにはその大きな2つの要素をいろいろと変えるしくみを考えればいいということになります。

容量変化の要素
1,極板を近づけるほど→静電容量は大
2,極板を遠ぎけるはど→静電容量は小
3,極板の対向面積が大きいほど→静電容量は大
4,極板の対向面積が小さいほど→静電容量は小

まず、2枚の極板のギャップを変化させるために、ねじやスライドによってその距離を変えたり、ちょうど本を開いたり閉じたりするようにしてみたり、あるいはプラスチックのコップにアルミ箔をそれぞれの外側にはりつけ、2つのコップのギャップを変えたりするものがあります。これらは極板の距離を変化させることによって容量を変化させる考えです。

もうひとつの極板の距離を対向面積を変化させるタイプには、引き出しのように極板間に別の極板を出し入れしたりするタイプや筒状の金属パイプをスライドさせるビリーコンデンサーbilli condenserなどがあります。

可変コンデンサーの参考例1

可変コンデンサーの参考例2

初期の頃にはまだ他にいろいろなものがありました。たとえばセルロイドコンデンサーです。

金属のローラーR1と絶縁物のローラーR2とにうすいセルロイドの外側に錫箔をはったものをわたし、R1がそれをまきとったりあるいはまきもどしたりして、極板の対向面積や距離を変えるのです。要は極板の距離と対向面積を変化させればいいのです。容量を変化させるための新しい方法を工作する人がれぞれ考えてみるのも、工作の可能性を広げることにつながると思います。

セルロイドコンデンサー

エアーヴァリコン

エアーヴァリコンは絶縁物として空気を利用したもので、工業的に生産される可変コンデンサーの中で一般的に普及していきました。

それは設計のしやすさ、機械的堅牢性、安定した精度や操作性があげられます。 しかしながら初期においてはいろいろな形や特性のおもしろいものがありました。

エアーヴアリコンの構造

昔の工作の本を見ると、エアーヴァリコンを製作することはあまりないかもしれませんが、決して不可能ではないので、参考までにいくつかの代表的なエアーヴァリコンの羽の形などを図にしておきました。

エアーヴァリコンの静電容量の変化
abCのそれぞれの羽の形は回転軸(ローター)が回転していつたとき、固定軸(ステーター)と交わって作る面積の変化がどのようになるかを示したものです。aではほぼ直線的に容量が変化しますが、 bやCはそれぞれ、同調回路の中で波長なり周波数が直線を示すように容量を変化させるために設計されています。

エアーヴァリコンの羽の形

波長直線形の羽の形
波長直線型の羽の形も当時の設計者の考え方によっていろいろありました。ですからぼくらが固定コンデンサーやエアーヴァリコンを作ったりした時に各人いろいろなものができてかまわないのです。工作の時に参考にしてください。

画像のうち、大きいものは2連ヴァリコン(ギャングヴァリコンとも言う)。
右上は初期のシールドケース入りのもの。あとは単連の豆コン。

画像のうち、左上は真鍮製のため、重さのバランスをとるのにうしろにウエイトがついている。中のものは羽全体が鋳造製。右は四角い羽の変わったもの。

画像のうち、左と中は昔のエアーヴァリコンのポピュラーなもの。右はセルロイドケース入りのエアーヴァリコン。
ほこりが入りにくく安定した作動が望めます。

画像はパッディングコンデンサーpadding condenser。これは半固定コンデンサーの一種で、調整用に使用されるも
のでしたが、これを使った鉱石ラジオも比較的多くありました。まんなかのネジを締めたりゆるめたりすることで導板と絶縁板(マイカ製)の距離を可変し、必要な容量になったところで固定して使用します。

自作バリアブルコンデンサー(マイカ(雲母)と錫箔)

自作のヴァリコンのいろいろ

自作のヴァリアブルコンデンサー

*この記事は、小林健二著「ぼくらの鉱石ラジオ(筑摩書房)」より抜粋編集しております。

KENJI KOBAYASHI

 

 

鉱石ラジオの回路とそのはたらき[コンデンサー中編]

”健二式鉱石受信機-Secret Voice””
秘密のささやきが鉱石のちからをかりてやってくる夜
ケネリー・ヘヴィサイト層(Kenelly Heviside layer)も安定して、ため息のような秘密をきかせる

コンセンサーについて(前回に引き続いての中編です)

静電誘導。電界・電気力線

よく理科の教科書に出てくる実験で、エボナイト棒をフランネルの布でこすると、フランネルの表面から電子がエボナイトの表面に移動してエボナイトは負に帯電し、その反対にフランネルは正に帯電すると言います。またガラス棒と絹布では、逆にガラス棒から電子が移って、ガラスは正に絹布は負に帯電するとも言います。電子がどのように移動していくのかは簡単には説明しづらいのですが、確かに実験上正(+プラス)や負(ー マイナス)に帯電している様子は認められます。この働きを合理的に示すのは電気盆と呼ばれる実験道具で、これによって先ほどのライデン瓶に電荷を集めることもできます。

電気盆の使い方No.1

電気盆の使い方No.2

電気盆の使い方No.3

電気盆の使い方No.4

プラスやマイナスの電子が集まったものを電荷と言い、その正や負の電荷を帯びていることを、正や負に帯電していると言っています。また電荷がその中を自由に動けるものを導体、動きにくいものを絶縁体と言います。金属や海水、人体などは導体で、ガラスや紙、ゴムなどは絶縁体と言われていますが、実際にははっきりと区別ができるわけではありません。絶縁体でもわずかに電荷が移動できるものもあり導体でも電荷の移動に対して抵抗がゼロではないからです。

この電荷の間に働く力(引きつけたり反発したり)の大きさは、両電荷の積に等しく両電荷間の距離の2乗に反比例します。これをクーロン(COULOMB)の法則と言います。簡単に言うと、電荷が大きいほど力が強く働き、近づけば近づくほど急激に強くなるのです。ちょうどこすった下敷きに紙片がすいよせられるとき、あるところまで近づけると急にピュッとくっつくようなことです。

静電誘導

これをもう少し説明すると、図ような導体を絶縁体によってテーブルなどから離したものに、プラスの電荷を帯電させたガラス棒を近づけると導体はガラス棒に引きよせられます。本来絶縁物である紙でも、重量が軽いのでやはり同じように引きよせられます。この時、ガラス棒に引きよせられたもののなかでガラス棒に近い部分にはガラス棒とは逆のマイナスの電荷が現われてくるのです。もともと中和されている状態にあったわけですから、ガラス棒より遠い部分には残ったプラスの電荷がたまります。

これらの正や負の電荷は、帯電体を近づければ近づけるほど強く現われ、引きつけられます。そして帯電体を遠ざけていくと、分離していた電荷は再び中和状態にもどって安定します。この帯電体を近づけたり遠ざけたりすることや、距離が変化しなくても向かい合う導体の帯電によって逆の電荷が現われたり消えたりする現象を、静電誘導と言います。またこのような電気力の働く空間を電界と呼びます。

電気力線 Electric Line of Force
上:異なる電荷は引き合い電気力線が正から出発して負へ向かう
中:ゴムのように引き合うがまた直角の方向へふくらむ性質がある
下:同じ電荷は反発する

電気のこれらの現象は目に見えないので、ファラデーは電気力線electric line offorceというものを便宜上考えていました。

これは以下のような性質があるとされますが、電気の現象を理解するのに役立つと思います。

1.電気力線は密なところは電界が強く、疎になるにしたがって電界は弱くなる

2.電気力線は正の電荷から負の電荷にむかっていると考える。

3.電気力線の両端には必ず正負の電荷がある。

4.電気力線はちょうどゴムの線のように正と負の電荷を引き付ける力を持っている。ただしゴムとは逆に近付けば近付くほどその力は増大する。

5.同じ電荷の電気力線は互いに反発しあう。

コンデンサーのはたらき

それでは、具体的なコンデンサーのはたらきを考えてみることにしてみましょう。コンデンサーとは絶縁物によってへだてられた2つの導体によって成り立っているものです。

コンデンサーの構造図

ほとんどの電気の本には、「コンデンサーは直流電気は通さないが交流電気は通

す」と書いてあります。このことを基本のところから考えてみたいと思います。まず、直流電気と交流電気とは、いったいどのようなものなのでしょうか。

直流の代表と言えば電池などの電流です。電池の中の電気がなくなるまで、15Vの電池なら15Vの電位差のまま(もちろんだんだんと電圧はさがってきますが)電流が流れるわけで、+と―の関係は変わりません。交流の代表はと言えば、いまぼくたちの家庭に来ている電源電流がそうです。

交流と直流
交流:この場合はサイン波 時(t)とともに極性が交番する
直流:+側も一側も電圧(V)が‐定で変化しない

50 Hzの交流とは1秒間に100回正と負を交番している電流のことです。しかし仮に1分に1回ずつ電池の極を換えて電気を流した電流を考えてみると、それでも定義Lは交流ということになりますが、高周波を扱うコンデンサーにとってはそのふるまいは直流とあまり変わりがなくなってしまうのです。

方形波と音声波形
電池(直流電源)の+と―を入れ替えても、 上の方形波の波形は理論上可能である。
1分の長さが1年でも理屈の上では交流であるのだが …
音声の波形は交流である。

また、容量の大きなコンデンサーになると、まったくの直流を流した場合でさえも充電が完了するまでのわずかな時間、電流は流れるわけです。ですから先ほどのコンデンサーの定義については、「直流や低い周波数の電流ほど通しづらく、周波数が上がるにしたがって電流を通しやすくなるもの」と言い直したほうが正確でしょう。ではなぜそのようになるのでしょうか。

コンデンサーのしくみ

コンデンサーの充放電

図のようにコンデンサーに電池をつなぐと、プラスの極板にはプラスの電荷がたまって、向かい合う板には静電誘導によってマイナスの電荷がたまります。

これは先ほど説明した静電誘導によるものです。これで充電ができました。充電が完了すると、もうこれ以上は電流は流れず停止します。ここでスイッチを1から2へ入れ替えてコンデンサーと豆電球をつないでみます。するとコンデンサーから充電した電子が放電し、豆電球を光らせます。もしこのコンデンサーに交流のようにプラスとマイナスが交番する電流を流すとどうなるでしょう。極性が刻々と変わる交流によってコンデンサーは充電と放電をくりかえし、2つの導体の間には絶縁体という本来電流を通さない層があるのにもかかわらず、あたかも電気が流れているように電流が認められます。

パイプの図
本来AとBの水はつながっていないが交番する水圧は互いに水流を伝達し合うー。
ゴムの膜が左からの水圧でふくれたところ
反対の水圧でふくれるだろう部分

それはちょうど上図のような感じだと思います。電流を水の流れ、導線をパイプ、電池を水の入ったプール、豆電球を水車とします。直流の場合、プールから流れ出る水流が直接水車を回していることになります。もし、このパイプの途中をゴムの膜で仕切ると、ゴムがふくらみきるまでは水流は発生してもそれ以上は流れなくなってしまいます。ところがこの水流を交番電流のように交互に向きを変えて流してあげると、水車の動きは一定方向ではありませんが、ゴムの膜によって仕切られているはずの管の中にちゃんと水流がおこっているのです。

ゴムの膜がふくらみきるまで水をためるこのしくみは、コンデンサーの働きを理解するのに役立つたとえだと思います。

このゴムの膜によってためることができる水の量を、コンデンサーが電気をためることができるキャパシティー(容量)だと考えてもらうといいでしょう。これは極板の面積が大きければ大きいほど増大し、そのすきま(ギャップ=GAP)が小さければ小さいほど静電誘導の効果によってやはり増大します。

この容量のことを静電容量といって、通常は単に容量(キャパスタンス)と言いl単位はファラッド(F)で表わします。もっともこれはとでも大きな単位なので、通常はファラッドの100万分の1のマイクロファラッド(μ F)、あるいはそのさらに100万分の1でピコファラッド(pF)という単位を使います。

以上のように、コンデンサーは、直流は通しづらく交流だと通しやすい、それも周波数が高ければ高いほど通しやすい、ということになります。ただし、コンデンサーの容量があまりに巨人である場合は充電に時間がかかりますし、また、あまりに高い周波数に対しては十分にキャパスタンスが得られないこともあるわけです。また容量を稼ぐためにそのすきまを小さくしすぎると、かける電圧が高い場合、スパ―クしたりしてしまいます。もっともそれほどの電圧も電流も使わない鉱石ラジオを製作する上では、あまり関係はありません。

コンデンサーと位相

コンデンサーと位相

コンデンサーには、もう 一つの重要なふるまいがあります。それは充電と放電をくりかえすシステムによって引きおこされます。図のようにコンデンサーに充電や放電が起こると、このコンデンサーを通過した電流のサイクルともとの交流のサイクルとの間に少しずれが生じるのです。

①のように交流電圧がゼロから最大までの間は、コンデンサーには充電のために電流が流れます。電流ははじめはたくさん流れますが、コンデンサーに電気がたまるにしたがって流れは減っていき、電圧が最大の時電流はゼロになります。そして

②では交流の電圧は減ってしだいにゼロになります。すると、コンデンサーの中の充電電圧のほうが高くなるのでしだいに放電をしてゆきます。

③のように電圧がマイナスのほうへ大きくなっていくとこんどは逆の極性で充電され、

④マイナスの電圧がピークを過ぎると充電電圧のほうが圧力が大きいので放電をするのです。

上図に示すように、この交流の1サイクルがちょうど4分の1ずつずれているとおもいます。波形がまったく反対になることを180°位相がずれる(あるいは逆相になる)と言いますが、この場合は4分の1なので90° ずれていると言い、山や谷がそれぞれ前の方にずれてきたようになるので、 90° 位相が進んでいると言います。

*後編も近日アップ予定です。次回ではコンデンサーの実際について紹介していきます。

*この記事は、小林健二著「ぼくらの鉱石ラジオ(筑摩書房)」より抜粋編集しております。

KENJI KOBAYASHI

 

 

鉱石ラジオの回路とそのはたらき[コンデンサーについて前編]

鉱石ラジオの構造は基本的に4つの部分に分けることができます。

1,空中線回路…アンテナとアースのことで、電波をキャッチして電流に変えるはたらきをします。(電波を電流に変える)

水の通る管のようなものでどちらが詰まっても流れない。

2,同調回路…たくさんある放送局から聞きたいと思う局の電流をよりわけます。(必要な電流を選ぶ)

低い周波数の電流はコイルから流れてしまい、高い高周波の電流はコンデンサーから流れ落ちる。

3,検波回路…声や音楽の信号を電波の中からよりわけます。(流れの中から音声の成分をよりわける)

流れの中から音声の成分をより分ける。

4,受話回路…声や音楽の信号をイヤフォンなどで耳に聞こえるようにします。

音声成分の流れを音に変える

 

銀河通信社製の鉱石ラジオキットの中でも、「銀河2型」が一番構造が見えているタイプなので、簡単に回路部分を記してみました。(この画像とコメントは「ぼくらの鉱石ラジオ」からの引用ではありません。)

自分なりに鉱石ラジオの製作を進めていこうとすると、鉱石ラジオがどのような構造で、どのようにして作動しているのか、少しでも理解している方が楽しく工作を深めていけると思います。たとえばちょっと変わったラジオを作ってみようと思ったとき、製作上具体的にどのようにして作ったらいいかをイメージしてみる上でも、原理を知っていると役に立ちます。各回路についてもっと後でお話しするとして、電気のふるまいを理解するためにまず簡単な電気の歴史とともにコンデンサーとコイルについて説明したいと思います。

[コンデンサーについて前編]

コンデンサーができるまで

コンデンサーは日本語では蓄電器といいますが、この言葉はすでに電気の世界でももうあまり使用されてはいないようです。コンデンサーcondenserとは通常、製品として作られたものを指しますが、英語でキャパシターcapacitorと言うこともあります。回路図などではCという記号で表わします。コンデンサーの構造やはたらきについては後で詳しく説明するとして、このコンデンサーはどのようにして考え出されたのでしょう。

歴史の本などによれば、古くギリシア時代から、装飾品として愛用される琥珀(樹脂などが化石化したもの)を布でこすると、小さな羽や麦わらなど小さくて軽いものを引きつけることが知られていました。琥珀=エレクトロンerektronはアラビア語で「引っぱるもの」の意で、それはまたペルシア語の「わらを盗む人」などを意味するエレクトラムelectrumに由来するとされています。この謎めいた表現は、ターレスTHALES(BC 640-546)をはじめ当時の哲学者たちの興味を引くものでした。これが歴史にのこる人間が初めにめぐりあった電気現象で、静電気と言われるものです。

下敷きで頭をこすると髪の毛が下敷きに吸いよせられたり、冬など乾燥している日にセーターを脱ぐとパチパチしたりするのもこの静電気です。やがで電磁気学を基礎付けたと言われる物理学者ギルバートWilliam GILBERT(1544-1603)が帯電するものすべてをelectrica(琥珀のようなもの)と名づけ、それがやがで電気electricityの語源となったことはよく知られています。

1660年にドイツのゲーリッケOtto von GUERICKE(1602-1686)によって摩擦起電気が発明されました。やがでこの静電気をなにかの方法で「ため込む」ことができないかと、人々は考えはじめました。1737年にデサグリエJean DESAGLIERS(1683-1744)がガラス管と真鍮によって作られたものに電気を帯電させ、 1795年にクライストEdward KLEIST(?-1748)という人が手にもった薬ビンの中の帯電したくぎにもう一方の手でふれた時につよいショックを感じたと報告しています。

これとは別に、1746年オランダのミュッセンブルークPieter van MUSSENBROECK(1692-1761)がビンの中の帯電した金属をもう一方の手で引き出そうとしたときに彼の助手とともにやはり強いショックを感じたのです。ミュッセンブルークはこのことから、電気をためることができるビンを発明しました。このビンは彼が教授をしていたライデン大学から名前を取って、「ライデン瓶」と呼ばれました。

ライデン瓶とその構造

これはガラスでできた広ロビンの内側と外側に錫の箔を貼り、それぞれから線を引き出し、帯電させたガラスや摩擦起電器から静電気を移し蓄電することができるものでした。これが蓄電器の最初です。

アメリカがまだ英国の植民地だった1752年に、あの有名なフランクリンBenjaminFRANKLIN(1706-1790)の凧上げの実験が行われました。これは雷が摩擦電気の放電現象と同じ自然界の放電現象だと考え、それを確認するためのものでした。それにより彼は翌年、避雷針を発明して落雷の多かった地方の人々を恐怖から少し遠ざけました。この実験に使われたのもライデン瓶でした。しかし、フランクリンの稲妻実験は非常に危険なもので、これにならった何人かの科学者は、この超高電圧の雷によって命を失うはめになりました。たとえばロシアのサンクトペテルスブルクのリヒマンGeorg Willhelm RICHMAN(1711-1753)は、嵐の中で電線を棒の先につけ高く掲げていたとき稲妻に打たれて亡くなりました。

またフランクリンはライデン瓶の内外2つの箔が正反対に帯電していて、放電とは正負の電気が相殺することであると考えました。

このフランクリンの正負電気論は蓄電器による放電実験を広める力となりました。しかしコンデンサーに当たる機器の名称は当時まだなく、電池で有名なヴォルタAllesandro VOLTA(1745-1827)が1782年に平行平板蓄電器を考案し、それをコンデンサーcondenserと名づけたのです。それがぼくたちが使っているコンデンサーの名の出来です。

やがてファラデーMichael FARADAY(1791-1867)が現われ、電気磁気学にとって重要な研究を多数試みました。なかでもコンデンサーとかかわりの深い誘電率や静電誘導をくわしく研究したので、コンデンサーの静電容量を表す単位にファラッドFARADとして名を残しています。ファラデーはこの他にも電磁誘導や発電現象などのたくさんの発見をしていて、日本ではクリスマスの講義をまとめた「ロウソクの科学」という本で広く知られています。

アベ ノレの実験

コラム[不思議な見世物]

当時、このライデン瓶という発明は異常なほどの興味とともに全ヨーロッパに迎えられ、不思議な見せ物として興業的価値も生じました。

たとえばアベ・ノレAbbe Jean-Antoine NOLLET (1700-1770)は、 フランス国王に供覧するためにチェイルリー公園に衛兵180人を連れていき、手をつなぎ合った兵士たちをライデン瓶によって同時に感電させたり、修道僧たちを3キロメートルにわたり 1列に並ばせて一人一人を短い針金で結び、同時に衝撃を与えました。

また、女性を起電機につないで感電させ、男性がキスをすると電気ショックを受けるものや、絶縁されたかどに人を入れて帯電させ、その人が手を近づけると紙きれや綿くずがぴょんぴょんくっついたり、さながら今の超能力手品のようなしかけで人々を驚かせたり喜ばせたりしたのです。

彼は頭がよく演出が巧みで魅力的でしたが、それはすぐれた科学者として静電気の働きをよく理解していたことをあらわしています。一般的には火をつかった手品などに使われて、ラベンダーの香水やエーテルの蒸気にライデン瓶の放電により瞬間的に点火させたりするものが多かったようです。

*この記事は、小林健二著「ぼくらの鉱石ラジオ(筑摩書房)」より抜粋編集しております。

KENJI KOBAYASHI

目に見えない世界

目に見えない世界

鉱石ラジオはぼくにとって、目に見えない世界からの通信を人間の五感に伝えるためにある一種の翻訳機といえるかもしれません。鉱石ラジオを形づくる木や金属や鉱物などの物質的手続きによって不可視な意思と疎通をこころみるというわけです。

かつて人間は目に見え、手に触れることができるものを物質と名付け、その物質のないところは単なるからっぽの空間だと考えていました。だから風などのふるまいは人々を不思議がらせました。見ることのできない何かが確かにあって木立を揺らし、そして森をざわめかせる。人はそこに何かのこころを感じたのです。あるいは風を作り出せる意志の存在を感じたのかもしれません。たとえば息を吹くことで炭火を赤くし、灰をとばすことができるようにです。

日本語でも息は生きるに通じるように魂や霊とつながるものとして考えられ、ギリシア語でも息と霊はともにspiritusという同じ言葉で表現されています。

その目に見えない現象は、やがて「風の物質」のしわざとして発見されていきます。たくさんの天才や物好きがこの物質の一連のはたらきを大気層から発掘していき、風は「空気」という物質によって起きるまったく物質的な天然現象と説明されていくのです。

ぼくは今でもときどき本当に風にこころはないのだろうかと思うことがありますが、まして電波となればさらに不思議な出来事です。ぼくは本文中で電波は電気力線が電気的電磁力学的に空間に押し出されたものと説明しましたが、本当はよく分かっていません。それはきっとぼくだけではなく、電子工学が専門の人でさえ、そのふるまいや現象を実験によって確かめたり、理論的に説明することができたとしても、それがそのまま電波の実態をつかんだということになりにくいからなのです。

「音は空気を媒体として伝わるように、電磁波はエーテルを媒質として伝播する」と言われていたのは、それほど遠い昔ではありません。エーテルという言葉は「大空」という意味から出てきたものであり、また目に見えない精霊たちの住む場所のことを指します。

アインシュタインの一般相対論によってエーテル(光素)の存在を認めなくても電磁波である電波のふるまいを説明できるとしたことと、マイタルソンとモーリーの実験によってエーテルの存在が実証できなかったことによって今では否定されているのですが、米来において、あるいはぼくらの知らない天体で、エーテルやそれに準ずる何かの媒体や媒質が宇宙の本質として発見されるかもしれません。

夜になると電離層のおかげで、短波だけでなく中波でも、感度のよくない鉱石ラジオで驚くほど受信感度が上がることがあります。そしてルーズカップラーなどを使用した長波にも対応できそうな鉱石ラジオの実験をしていると、ときおり奇妙な雑音を聞くことがあります。まさかロラン(電波航法による遠距離固定局)を受信したとも思えませんが、 トラック無線や空電でないのは確かなようです。おそらく鉱石ラジオの分離特性のなせるわざで、局間ノイズやハムが重なりうねって聞こえているのでしょう。ただごくまれにそんなノイズを聞いていると、全然思いもしなかった人のことを思い出すことがあります。なぜならあまりにその音がその人の声に似ていたりするからなのです。ぼくは半分ムキになってノイズの中から言葉を聞こうとしていると、いろいろと忘れていた思い出がよみがえってきて、確かに何かの通信を受け取ったような、そんな気持ちになるのです。

小林健二

小林健二著「ぼくらの鉱石ラジオ(筑摩書房)」より

[前回ご紹介した記事『不思議を感じるこころ』の後編にあたります]

検波器の歴史

1、火花検波器・生理検波器

ヘルツが実験に使用していた電波の信号を検出する装置が、いわゆる検波器の初期のものです。これは火花放電によって発生した電波を共振によって感知するもので、火花検波器と呼ばれたりもしますが、通常は共振器resonatorと言われています。

ヘルツの共振器
この輸はひとつのインダクタンスとみなすことができ、それに共振誘導した電波を高周波電流の放電として検出する。

火花検波器
これらの検波器は、火花を発するものの近くにおいては(実験室内など)電波の到来を感知しても、距離が離れ始めると急にその感度は低下します。

ヘルツが発見した電波を通信に使うことはできないか。彼を含む世界中の科学者たちがこう考えましたが、火花放電による電波と共振器では、通達距離をのばせないことは実験上よくわかっていました。だからといって、よく言われるように彼が通信の実用技術に対して消極的だったというようなことはなく、特に改良の必要のある検波器については、できる限りの実験をしたようです。

そしてかつてガルヴァーニが用いたのと同じ、カエルの脚の筋肉を用いた生理検波器なども考えだしています。

生理検波器
生理検波器は見るからに安定性が忠く、ヘルツも感度がよくまた安定した検波器が現れるまでは無線通信の実現は難しいと考えたのも仕方のないことでしょう。

2、コヒーラ検波器

ヘルツが亡くなる数年前、フランスでブランリーEdouard BRANLY(1844-1940)が金属の粉末を使った検波器を発明します。それまでにも、金属の粉末をガラス製の筒などに封じ込めたもので、そばで放電が起きるとその内部の電気抵抗が変化することは、 イギリスのヒューズDavid Edward HUGHES(1831-1900)によって確認されていました。

ブランリーは、ガラス管にニッケル粉末を入れて封じ、直接これに電流を流しても金属粉体は抵抗値が高いのであまり電流は流れないが、近くで電気花火を発生させると電気抵抗が減り、電流が流れやすくなる現象を発見したのです。

ブランリーのラジオコンダクター(1890年 フランス)

彼は、この抵抗値の高い金属粉体の接触面が、電磁波の影響を受けて変化し抵抗値を下げたためだと考えました。彼はこの検波器をラジオコンダクターradio conductorと名付け、それが今日のラジオの語源になったと考えられています。ちなみにラジオは輻射radiatonからの言葉です。

この実験のことを知ったイギリスのロッジは早速これを改良し、遠い距離からやってくる弱い電磁波を検知できるような敏感なものにして、 1894年、ヘルツの実験回路の検波器として組み込み、成功しました。

ロッジのコヒーラ (1894年イギリス)

彼はこれを金属粉体の個々が高周波電流によって密着cohere も し く は結合するこ とから起こるとして、その検波器をコヒーラcohereと名付けます。

そして、このコヒーラ検波器によってそれまで不可能とされていた無線通信は可能ではないか、という講演をします。偶然にもその講演は、このすばらしい感度の検波器の出現を待ち望んでいたはずのヘルツの追悼講演として行われました。歴史はまるでドラマのように受け継がれてきたのです。しかしもともと学者であったロッジにはそれ以上事業として進めることができないでいるうちに、ロシアにはポポフが、イタリアにはマルコーニが出現します。

3 、デコヒーラ検波器(decohere再びコヒーラな状態に戻す)

ロッジの報告を日にしたとき、ポポフAleksandr Stepanovich POPOV(1859-1905)はロシアで水雷学校の教員をしていました。彼はロッジの装置にアンテナを付け、さらに受信回路に改良を加えました。コヒーラ検波器は感度を高めて電波の到来を知らせるうえでは問題のないものでしたが、一度導通(電気を通す)してしまうと導通しっばなしになってしまい、その後の通信を受け取りません。

そこでポポフは、リレー回路(電磁石のはたらきなどで作用するもの)などによって、一度密着し導通状態になったコヒーラを物理的に叩くことで粉体をもとのバラバラの状態に戻し、再び受信可能にするよう工夫したのです。

ポポフの検波器(1895年 ロシア)

ポポフの無線電信は事業化する可能性の高いものでしたが、彼はアメリカやイギリスの企業からの特許権譲渡や提供申込みを断り、ロシア国内で実現しようとしました。しかし、当時のロシア政府はポポフの発明に対して理解を示さず結局宙に浮いてしまい、無線通信の発達は他国に譲ることとなるのです。そのような理由で、世界の年表にはイタリアのマルコーニGuglielmo MARCONI(1874-1937)が、“無線通信の父”という輝かしい栄誉で語られていても、ポポフはロシアの教科書にだけその功績を称えられています。

ポポフやマルコーニのコヒーラは基本的に新しい発見ではありませんが、マルコーニはガラス管の中の金属粉体の安定性をはかるために中の空気を抜き取ったり、銀製の電極の距離を近づけ、さらにテーパーを付けて作動を確かにする工夫をしました。

マルコーニのコヒーラ(1895年 イタリア)

そして本来科学者というより企業家であったマルコーニは、やがでその資本力によって他の特許や発明を買収し無線電信の世界を独占しようとしますが、その後登場する無線電話についてはその重要性を見誤って出遅れることになります。

4、その他の検波器

いったん密着したり、抵抗値の下がった検波管を叩くことによって元に戻す検波器は、大がかりで部品も多く、また機械的な作動のためときどき故障が起きたりしました。そのため、もっと簡単に復帰できるものとして、いくつかのタイプが考え出されました。

・水銀検波器一形はいろいろありますが、基本的には両極の間に水銀が入れてあり、水銀のまわりを油膜によって絶縁してあるものです。この油膜は非常に薄く調製されていて、電波が到来して高周波電流が発生しているときには油膜が破れて金属どうしが導通しても、電波が止まると自動的に油膜が広がって元の絶縁層になるというものです。この検波器は火花式と同じく高い電圧で受信しないと誤動作が多いので、あまり感度はよくありませんでした。

水銀検波器 ロッジ・ミアヘッド型

水銀検波器 ウォルター型

水銀検波器 カステル式オートコヒーラ

国産の水銀検波器(1904年に浅野応輛氏によって発明されたもの)

・鉄粉検波器一この検波器も自動復帰型の検波器ということになっていますが、機械的震動に弱く、感度もいまひとつだったようです。1907年に発表されました。

鉄粉検波器
1907年に佐伯美津留氏によって発明されたものでコヒーラした後も電波が止むと自動的にデコヒーラすると言われています。

・磁気検波器一ぜんまい仕掛けで動く2つのエボナイト製の滑車が、継ぎ目なく作られた柔らかい鋼のより線を一定の速度で動かしています。この線は、ガラス管強力な磁石を通してアンテナ・アース間に接続されているコイルがあって、さらにその外側に受話器のコイルがあり、その外に強力な磁石がある、 といった構造をしています。この一定の速度で移動するしなやかな鋼線は、常に磁石によって磁化されていて、アンテナ・アース間のコイルに電波の到来とともに電流が流れ、それによって発生する磁界が、線をその時だけ消磁するようになっており、受話器用のコイルがこの磁性の変化を電流に変えることで、受話器から音として検出するというものです。

また、この検出部に小さなインクのついた針と紙のテープを使い、モールス信号などを記録紙に残すことができるものも作られました。これらはマルコーニによって作られ、新しい発明というわけではありませんしまた人仕掛けでしたが、実用的で安定した作動をもっていたので、彼が電信を事業として起こすうえでとでも重要な検波器となりました。

磁気検波器

電解検波器一アメリカのフェッセンデンRunald FESSENDEN(1866-1932)によって1903年に考案された検波器で、無線電話に使用できる最初の実用検波器です。電解液のなかに金属を入れ、その単偏導性を利用したものです。感度もよかったのですが、当時船舶に使用される通信機にとって、この電解検波器は液体を使う構造のため揺れる船上で使用する場合には不都合も多かったようで、世界に普及するよりも早く、その後の鉱石検波器に置き換わってゆきました。

小林健二

電解検波器
フェッセンデン式(1903年)

電解検波器
これはいろいろな型のある電解検波器の一種で電解液がこばれにくいように設計されたものです。

不思議を感じるこころ

 

*「ぼくらの鉱石ラジオ(筑摩書房)」より編集抜粋しています。この本では、鉱石ラジオの原理と工作編、そして『通信するこころ』という項目に主に分かれて書かれています。その中から鉱石検波器について触れている部分を抜粋し、[ ]の中はこちらで追記しています。画像は古い文献を元に筆者である小林健二が描いています。

*『目に見えない世界の不思議』は小林健二が変わらず今に至り持ち続けているこころです。作品のタイトルから今回の記事に通じると感じたものを、何点かご紹介します。

[風と霊ーWIND AND SPIRIT]
648X925X50mm 1989
oil, soft vinyl on wood

[アストラルとエーテルのヒソヒソ話ーWHISPERING OF ASTORAL AND ETHER]
2200X3000X250mm 1986
wood, cloth, synthetic resin, paper, oil

[IN TUNE WITH THE PAST]
電波石、地球溶液、結晶受話器など
1997中央の透質結晶に針を当てるとイヤフォンから過去の放送が聞こえる受信機で地球上における1920年代以降から昨日くらいのものとなる。

KENJI KOBAYASHI

不思議を感じるこころ

不思議を感じるこころ

1873年、ブラウンが鉱石に単方偏導性unidirectional conductivityを発見して、これがラジオを生み出すきっかけのひとつとなりました。同じ年、電話の発明者となるベルの助手スミスが、セレニウムを電話用の電気抵抗として実験している最中、たまたま窓からはいる太陽光線によって抵抗値が変化することに気がつきます。これはやがてテレビジョンの発明へとつながる光導電セルの最初の発見となりますが、それらはともに時期だけでなく偶然によって発見されたところにも不思議な共通性を感じさせます。

これらはやがで現代の通信事業に対し大きな役割を果たすわけですが、ガルヴァーニやエルステッドそしてヘルツたちの発見がそうだったように、偉大な発見や発明が偶然の出来事をきっかけとして生まれてきたこともまた、 とても興味深い事実ではないでしょうか。

電気や電子、電磁波を扱う世界は他のいかなる場合よりも理論的でまた実証的な側面を感じます。しかし実はこれらの世界ほど偶然によって人類と遅近してきた世界もないのです。そしてこれらの背景にはいつも不思議を感じる実験者たちのこころが存在していたことを忘れてはならないでしょう。ひとしきり姿を現し、その後再び大いなる間の中へ消えていきそうになるちょっとした偶然の出来事を注意深くすくい上げ、見つめ、そして磨き上げてゆく。彼らのその地道な日々の努力を支えていたのはきっと、ほんの一瞬別世界と出会ったという確信だったのでしょう。

子どもの頃、雨上がりの風景のなかに虹を見つけ、まるで異世界から出現したような大きなアーチは、その足下にある町からはどのように見えているのだろうと考えた人も少なくないはずです。

みなさんは最近虹を見たことがありますか? まさか酸性雨によって虹がドロップみたいに解けてしまったなんで誰もいいわけをしたりしないでしょう。

不思議な世界はきっとぼくらのすぐそばで「早く私に気がついて」そんなふうにあなたに話しかけているかもしれません。そしてその奇跡の国へのチケットは決して特権的な方法によって大手するものではなくて、あなたの心の中にいる少年少女たちが、が当たり前に持っている不思議を感じるこころによっていつでも旅立つことができるようにと用意されているのです。

 

小林健二著「ぼくらの鉱石ラジオ(筑摩書房)」の巻末に添えられた小林健二のイラスト

 

鉱石検波器[の発明者について]

鉱石のもっている単偏導性unidirectionalという奇妙な性質を最初に発見したのは、[上記しましたが、]ドイツ人のブラウンKari Ferdinand BRAUN(1850-1918)です。 1873年のこと、彼は各種の導体や不良導体の電気抵抗を研究中に、偶然にも黄銅鉱や鉛鉱などのいくつかの金属鉱物の中に、陽極と陰極の当て方の違いで抵抗値が異なるものを発見します。

これはまだ世界に「無線」という言葉ができる前のことですから、翌1874年にブラウンがこのことを発表しても、誰も無線電話に利用することができませんでしたそれから23年後の1897年、ブランリー、ロッジ、マルコーニなどの無電用の検波器はすでに開発されていましたが、無電(無線通信)以上に期待される無線電話の検波器の合理的なものを、世の中は待望していました。

ブラウンはこの年、鉱石検波器理論を発表し、 1901年には鉱石検波器を発明します。そしてその後相次いでいろいろな種類の鉱石検波器が発明、発表されていきます。

[次回に、鉱石検波器以外の検波器を紹介予定です。]

他に受信電流によって生じる熱作用を応用した熱検波器や、長い波長で一時期使用されたチッカー検波器があります。これは、モーターによって高速回転させた板に、たくさんの火花共鳴器のようなギャップを取り付けて、受信電流と同調させることで信号をとり出すものです。

あるいは受信した高周波電流を、一種の電流計(アイントーベン電流計)を通し、その振れに光を当てて壁などに反射させ拡大して、それをフィルムに感光させて記録するという光印字検波器などもありますが、いずれも大がかりであったり、感度が不十分だったりしました。やがで最も信頼性が高い真空管式(2極管)のものが登場し、鉱石検波器にとってかわることになります。

一般的な鉱石検波器

国産の初期の固定式鉱石検波器①

国産の初期の固定式鉱石検波器②
①よりも安価に出来るが安定性に欠ける。

鉱石検波器 ペリコン検波器

鉱石検波器
方鉛鉱のキャットウイスカー型(探り式)

ブランリーによる最も初期の頃の鉱石検波器
おそらくこれは金属の接点による一種のコヒーラ検波器として製作され、実験中に無線電話用の検波器としても使用できることが発見されたのではないかと思います。そしてひいてはそれがキャットウィスカーの考え方を生んだのではないかとぼくは考えています。

[鉱石検波器の]複数の発明者

鉱石検波器はいったい誰によって発明されたのでしょう。

ぼくは本文でドイツのブラウンが1901年に発明したと書きました。しかし東京の大手町にある通信博物館に展示されている年表を見ると、鉱石検波器は1908年(明治41年)日本人鳥潟右一(18831923)の発明ということになっています。確かに昔の日本の文献でもそのように書いてあります。ところがアメリカ合衆国の文献によれば、鉱石検波器はピッカードGreenleaf Whittler PICKARD(1877-1956)が1902年(明治35年)10月16日に発明し、 1906年には製造販売をはじめ、 1908年1月21日に特許を取っています。

また合衆国陸軍大将のダンウッデH.H.C.DUNW00DY(生没年不詳)は通信省を退職後、カーボランダムによる鉱石検波器を1906年に発表しています。早い話が、各国に特許の及ぶ範囲で誰がいちばん早く特許を取得したのかということでしょう。

実験室内での発見が歴史的発見になるというよりは、鉱石検波器などの電子ディバイスは誰があるいはどの国が主権を握るかというようなビッグビジネスにつながるものでしたので、特許をめぐる争いもめまぐるしいものだったと思われます。

事実、ダンウッディはピッカードに1カ月遅れで特許を逃したため、2人は光と影の人生を歩んだようですし、日本で最初に鉱石検波器を研究し、その後鳥潟右一にバトンタッチしたと思われる鯨井光太郎(1884-1935)のこともあまり触れられることはないようです。

おそらくこの1900年前後に世界で同時多発的に鉱石検波器の発明は行われたのでしょう。科学者として原理や理論を発見しまとめ上げていくことより、誰が早く実用性の高いものを発明し事業者として成功するかに、時代は移っていったようでした。

 

小林健二

 

*「ぼくらの鉱石ラジオ(筑摩書房)」より編集抜粋しています。この本では、鉱石ラジオの原理と工作編、そして『通信するこころ』という項目に主に分かれて書かれています。その中から鉱石検波器について触れている部分を抜粋し、[ ]の中はこちらで追記しています。画像は古い文献を元に筆者である小林健二が描いています。

KENJI KOBAYASHI

現代によみがえる鉱石ラジオ

さぐり式鉱石ラジオをつくる(銀河通信社製鉱石ラジオキット『銀河1型』)

ではさぐり式とはいったいどんなタイプのものかというと、まさに鉱物結晶が目に見える形としてあって、そこに針状の接点をまさに感度の良いところをさぐりながらラジオを聴く、という式のものを言います。

今まで国産で作られたキットは、固定式鉱石検波器と言われる太さ1cm前後、長さ3-5cmくらいの筒状のものなどを使用したものもあったようです。

鉱石ラジオは、やはりこのさぐり式が鉱石ラジオたる醍醐味と言えるでしょう。

1、キットの内容は写真の通りで、サンドペーパーや小さなドライバーも入った完全キットとなっています。オマケにはゲルマニュームダイオオードが付いている説明書も入っているので、基本的にはこのままで組み上がるようになっています。しかしさらに小さめのドライバー(ブラスとマイナス)やハンダゴテ、しっかりとナットなどをしめるためのプライヤーなどがあると組み立てやすいでしょう。

2、作業はまずスパイダーコイルを巻くことから始まります。このスパイダー枠箱のキットの特性部品の一つで、まさに大正時代の製法によって黒色特殊絶縁紙を型抜後、一枚一枚高周波ニスで塗り固め田というもので、ファイバー製のものよりも手製の時代をしのばれるような感じを受けます。
手順や方法については、解説書に詳しく書いてあるので、ここではそこに書いていない部分に絞り、述べてみます。スパイダーコイルを巻くコツはとにかくゆっくりとあぜらず一巻き一巻き、きっちりとつめて巻いていく方が良いでしょう。かといって紙製の枠が壊れ流程力を入れてはいけません。回数を数えて巻くのは結構めんどうなものですが、このキットの場合、巻き切れればいいように設計されているので、お茶でも飲みながら楽しんで巻き上げていけます。方向は右回りでも左回りでもお好きな方をどうぞ。

3、中間のタップになるところは、赤と緑の線を10-15cmくらい絡めてから、また同じように同じ向きに巻いていきます。ゆっくりと同じくらいの速度と強さできっちりと写真のような感じで巻き上げましょう。この赤と緑のエナメル線も懐かしい感じがします。

4、コイルの巻き終わりは穴のある羽のところを1−2回ぐるっと線を回してから穴に通すとしっかりします。巻き始めの線、中間のタップの線、巻き終わりの線が、片方の面(同じ面)に出るようにしましょう。

5、ターミナルを付けます。これらはカラーベークのまさに鉱石ターミナルとかつて呼ばれていたものです。もうあまり見かけません。後ろから裏側で線を絡めるため、取り付けるときあまり固く締めないようにしましょう。(この画像は記事を複写しています)

6、バリコンを付けます。もしこのポリバリコンが金属製のバリコンだったら、まさに昔の鉱石ラジオのパーツが全て揃うところです。しかし今日では難しいでしょう。(銀河通信社では単連のエアーバリコンを使用したキットをいずれ発売予定とか)
ただポリバリといっても、すでに線もハンダ付けされているので工作は楽にできます。コツとしては線はいつも時計回りにターミナルに巻きつけること(締めるときに緩まない)と、線はピンと張らず少々たるむように配線することです。

7、バリコンにシャフトを付けます。この際、右にいっぱい回してしっかりネジ込みます。またネジロックや瞬間接着剤で固定した方がいいでしょう。ただ接着剤はくれぐれもはみ出さないようにしましょう。

8、ツマミを右にいっぱいに回した位置で、ツマミの後ろ側から小さなマイナスのドライバーでネジを締めて取り付けます。もっとしっかり取り付けたければさらに大きめのドライバーを用意して締めた方がいいでしょう。

9、鉱石検波器の鉱石の部分を取り付けます。裏側からナットを締めて付けます。まさにこのラジオの心臓部です。あまり鉱石の表面を素手で触るのはやめます。ここには方鉛鉱が使われていますが、方鉛鉱なら全て感度がいいという事はありません。このキットでは銀を多く含んだ特別に選んだ鉱物を使用しています。またその土台にも特殊な合金を使用して、一つ一つ手作業で仕上げています。

10、さぐり式の探る針はタングステンでできています。画像右上のように仮に取り付け、あとで調整します。

11、10の部分を裏から見たところです。S字の銅線ですでに配線されていたり、ベークのスペーサーでコイルを付ける台としているのがわかります。

12、サンドペーパーでそれぞれの線の端と、赤い線の中間部分の配線をどうするのかよく理解した上で、エナメル線のエナメルを剥がします。色のついたエナメルなので銅の色が出てきたらOKと分かりやすくなっています。

13、スパイダーコイルを取り付けようとしています。大きなワッシャーで挟み、ナットをプライヤーなどでしっかり締め、取り付けてください。

14、配線が終わった状態を裏側から見たところです。線の末はタマゴラグの穴に絡めてあるだけですが、この場合はハンダ付けが必要です。ハンダ付けしない場合は、ナットでしっかり他の線と一緒に強く締め付けてください。

15、タマゴラグの穴に線を絡め付けた後、ハンダ付けをした状態です。

 

16、鉱石ラジオ「銀河1型」完成です。

イヤフォンをつけ、アースとアンテナ(アンテナ1とアンテナ2)は感度の良い方を選んでください。鉱石の感度の良いところを探しながら、またバリコンで多少局の分離もできます。色々楽しんで作り、そしてまた本当の鉱物結晶から音が聴こえてくるような不思議な感覚を楽しんでください。(アンテナとアースについての記事を参考までに下記します)

アンテナとアース

これらは鉱石ラジオに使用される天然鉱物です。左から黄鉄鋼、方鉛鉱、黄銅鉱、紅亜鉛鉱。
ぼくは、自著の「ぼくらの鉱石ラジオ」の中で紅亜鉛鉱が一番感度が良いと説明していますが、とてもバラツキがあって実は一概に言えません。全体的に方鉛鉱が無難だと思います。しかし、このキット中のような感度の良い石ばかりではないと思います。下にあるゲルマニュームダイオードで、昔風の感じのものを選んでいます。銀河通信社の「銀河1型」キットについているものとは異なりますが、鉱石と針の部分につければ、ゲルマラジオに早変わりです。

 

*2000年のメディア掲載記事から抜粋し編集しております。

「オーディオクラフトマガジン創刊号」

KENJI KOBAYASHI