機械の中でも雷が生じる？　安全に電気を使うための研究

雷はなぜ起きる？

普段は電気を通さない場所に電気が通る現象を「放電」といいます。代表的な放電現象は雷です。雷が起きるとき、多くの場合雲の下側はマイナスに、地面はプラスに帯電しています。両者の間にある気体分子は、通常は電気を通しません。しかし高い電圧がかかって空気の中にいたマイナスの電気が加速されると、別の気体分子にぶつかり電子を放出させます。これが地面にあるプラスの電気に引き寄せられた結果、雲と地面の間に一時的に「電気の通り道」ができて、放電が起こります。

謎だらけの放電を探る

放電の発生頻度を下げるためには、真空に近い状態にして、電圧がかかる物体同士の距離を長くするのが理想です。しかし現代では機械が小型化しているため、「微小ギャップ」と呼ばれるナノメートル単位の短距離でも放電が起きています。半導体デバイスの中や、電気自動車のモーターに使われるエナメル線の微小な欠けなど、ごく小さな空間内でも放電が起こる可能性があるのです。放電のメカニズムは特定の場面でしか解明されておらず、微小ギャップに関してはほとんど分かっていません。

安全に電気を使うために

放電が発生する電圧や、発生した場合の伝わり方などが分かれば、これに耐えられる安全な設計を考えられます。そのために、意図的に起こした放電を高速カメラで撮影したり、コンピュータシミュレーションで計算したりする研究が行われています。
例えばシリコン製の土台の上に数百ナノメートルの距離をあけて電極を2つ置き、半導体デバイスを模した放電の様子を観察しました。するとプラスの電圧をかけたときは放電が土台の上をまっすぐ進み、マイナスの電圧をかけたときは宙に浮いてアーチ状になることがわかりました。シリコンの土台は酸化膜でコーティングされており、放電が進む際にマイナスの電気を帯びます。電極や気体分子から生じる電子もマイナスの電気を帯びているため、反発して宙に浮いたのではないかと考えられます。放電に耐えられる構造を探るためにも、さらなる研究が求められています。

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先生情報 / 大学情報

湘南工科大学工学部電気電子工学科准教授岩渕大行先生

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高電圧大電流工学、電力機器工学

先生が目指すSDGs

メッセージ

電力が必要ない世の中は、すぐには訪れないと思います。電気を安全に使い、豊かな暮らしを支えるためにも、プライドを持って研究に取り組んでいます。電力会社や機械メーカーなどからの需要も高まっている分野ですので、興味を持ってもらえると嬉しいです。また、電気は通常、数学や物理などの力を使って分析します。目に見えないものなので大変なこともありますが、高校や大学で習った知識が役に立つ実感が得られますし、学びのモチベーションも上がるはずです。一緒に大学で勉強してみませんか。

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湘南工科大学は「社会に貢献する技術者の育成」を大学のミッションに掲げる、1963年創立の工科系大学です。充実したICT環境と設備を備えた、湘南の自然豊かなキャンパスで、工科大学ならではの専門知識と実践的技術を身につけることができます。多くの授業でアクティブラーニングを取り入れており、学生が主体的に授業に参加し、実践を繰り返すことで理解を深めながら成長していく学修スタイルが特徴。また、少人数の担任制度や、きめ細かい就職支援などの各種制度により一人ひとりを手厚くサポートしています。