中学受験の理科 電流と電気回路~豆電球の直列と並列の組み合わせ

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中学受験の理科【偏差値アップの勉強法】合格のカギは4つだけ!

                          

2018/11/05

今回のテーマは基本問題ですが、学習の順番としてまず「電流と電気回路~この順番で考えれば基本はカンペキ!」を完全に理解してからにしてください。中途半端な状態で取り組むと、時間をムダに使うだけとなってしまう可能性がありますので注意してください。電流と電気回路の基本は、こちらからどうぞ。
⇒ 電流と電気回路

電流と電気回路~基本の復習

まず、基本の簡単な復習から始めます。上図では、2つの異なる電気回路(電流の通り道)が同時に存在していることは分かると思います。黄色と赤色はお互いに関係しませんから、黄色がわの電球が切れても赤色がわの電流は変わりませんし、逆に赤色がわの電球が切れても黄色がわの電流は変わりません。全体の電流は「黄色+赤色」なので、かん電池に流れる電流も「黄色+赤色」です。

少し見方を変えてながめて見ると、電気回路(電流の通り道)全体としては「黄色+赤色」で流れてきた電流が一度「黄色」と「赤色」に分かれて、ふたたび「黄色+赤色」に合わさると考えることもできます。では「黄色」と「赤色」の電流の大きさは、どのような関係になっているでしょうか。答えは、「黄色:赤色」=「2:1」です。

電流は並列の電気回路に出会うと分かれますが、分かれた先に流れていく電流の大きさは「行き先の抵抗の大きさに反比例する」ということです。抵抗が大きいほうに流れる電流は少なく、抵抗が小さいほうには多くの電流が流れます。ここまでをスムーズに理解できたら、次に進んでください。

 

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電流と電気回路~部分ショート

次は電流が出会った並列の電気回路で、片方の道は抵抗がゼロだった場合を考えてみます。片方には全く抵抗がなく、片方だけに抵抗があると、電流はどのような分かれかたをするのでしょうか。これまでと同じように考えると、「黄色と赤色」の2つが同時に存在している下図のような電気回路(電流の通り道)を思い浮かべてしまいます。

ところが全く違うのです。電流が複数の道(行き先)に出会ったとき、1つでも抵抗ゼロの道があれば、電流はすべて抵抗ゼロの道に流れていきます。抵抗の少ない道であれば少しくらいは電流が流れてもいいだろうと思うかもしれませんが、抵抗のある道にはいっさい電流が流れることはありません。

結論からいうと、この場合の正しい考え方は下図のようになります。豆電球Bに流れる電流はゼロですから、ないのと同じなのです。要するに、この電気回路は「電池が1つで豆電球も1つ(豆電球A)」の電気回路だということです。

このような導線のつなぎ方を、「部分ショート」といいます。この考え方は基本問題ではあまりむずかしくないと思いますが、やや複雑な電気回路になると大変になります。複雑な電気回路を指でなぞっていく時に、抵抗ゼロの道があれば他の道の「目くらまし」にあうことなく、かん電池の「マイナス方向」へと一直線に指を進める必要があるからです。

複雑な問題を本番で解く必要はありませんが、ねんのため知識として知っておいてください。

電流と電気回路~豆電球の直列と並列の組み合わせ

最後に、豆電球の直列と並列が組み合わさった場合を考えます。どちらかといえば、「部分ショート」よりも分かりやすいでしょう。下図のように、豆電球の直列と並列が組み合わさっています。このとき豆電球A・B・C・Dに流れる電流の大きさは、どのような比になるでしょうか。

まず豆電球Aを通った電流は、「豆電球Bの道」と「豆電球C・Dの道」に分かれていきます。この時どちらにも抵抗ゼロの道はありませんから、ある割合でどちらにも電流は流れます。抵抗の大きさの比は、「豆電球Bの道」:「豆電球C・D」=1:2ですから、それぞれに流れる電流の大きさは「2:1」となるはずです。

「豆電球A」に流れる電流の大きさ=「豆電球Bの道に流れる電流」+「豆電球C・Dの道に曲がれる電流」

ですから、電流の大きさは、「豆電球A」:「豆電球B」:「豆電球C」:「豆電球D」=3:2:1:1 となります。

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