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発光ダイオード

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解説テキスト

【状況】
信号機が電球から発光ダイオードに切り替わっている。発光ダイオードは電球に比べてなぜ省エネなのか。

【分析】
[電球の光り方]
フィラメント(光る部分)に電気(電子)が流れ、電子とフィラメントの原子がぶつかることで発熱する(抵抗加熱)。電熱線が真っ赤になるのと同じ原理であり、ものすごく温度が高くなると物質は光を発する。光の色は温度によって異なる。材料はなんでも光るが、材料によっては温度に耐えることができず燃え尽きてしまう。エジソンが発明した最初の電球のフィラメントは竹でできていたのは有名な話。
このことから、電球は、電子が原子にぶつかってできた「熱」をもとにして「光」を作っていること、さらに光る材料(フィラメント)が痛んでしまうことがわかる。

[発光ダイオードの光り方]
少しだけ電気を通す材料を半導体という。
作る原料によって、少しだけマイナス(電子が多い)n型という半導体と少しだけプラス(電子が少ない)p型という半導体ができる。
マイナスのn型半導体とプラスのp型半導体をくっつけるとくっついたところだけプラスマイナスゼロの中性になる。
p・nそれぞれのくっついたところ以外の場所に電線をくっつけて、例えば電池にpからの線をマイナス側に、nからの線をプラス側にくっつけると電池のプラス側から来た電子はn型半導体の中に入る。
するとn型半導体はいつもより電子が多くなってしまうため、p型半導体とくっついているところからp型半導体に向けて電子を追い出そうとする。
このときp型半導体も別に電子はいらないから受け入れない。
すると電子は行き場に困りプラスマイナスゼロの中性の部分でとどまってしまうしかなく、しかも中性な場所でマイナスのままではいられないから中性になるしかない。
ある材料でできたn型とp型の半導体の組み合わせでは、この中性になるときに不必要になる電子の電気エネルギーを光に変えて放出する。
ちょっとややこしいけどこれが発光ダイオードが光る原理。なんども読み返して理解しよう!

【結果】
電球と比べて発光ダイオードは、電子と原子がぶつかったり、材料が痛んでしまうという無駄がなく、電子の電気エネルギーを直接、光に変えるから効率がいい。
つまり、発光ダイオードは、「熱くないから省エネなのだ」といえる。


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