中学受験の理科 電流と電気回路～この順番で学ぶと基本は完ペキ！

 

上図は、水路（水の通り道）です。ホースの中には、水がつまっています。

ポンプからホースに対して水を流しこむと、ホースの中の水は、ポンプから出た水におされて動くわけです。そして、ポンプのX点から出た水は、A・B・C点を通って、やがてポンプのY点にもどってきます。

 

水の通り道は１本道だから、水の行き先はホースの中しかありません。１秒ごとにポンプから出る水の量を「１」とすれば、A点・B点・C点でも、１秒ごとに「１」の水が通りすぎていくはずです。

ある瞬間にA点にあった水は、やがてB点を通り、C点を通って、ポンプにもどります。

 

ホースの中ではどの点でも、常に新たな水が通り過ぎていくのです。  

 

 

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電流と電気回路で水の流れをおきかえてみましょう！

 

電気回路（電気の通り道）も、水路と同じです。導線（金属）の中には、もともと「電気のつぶ」がつまっています。

何もしなければ、「電気のつぶ」は導線（金属）の中で、じっとしているだけです。

 

ポンプが水をおし出すのと同じように、かん電池には「電気のつぶ」を電気回路におし出す力があると考えてください。

かん電池が「新たな電気のつぶ」をおし出すと、もともと導線（金属）の中にあった「電気のつぶ」が、おされて動き始めます。「ところてん」みたいな感じでしょうか。

 

やがて、「電気のつぶ」は、かん電池にもどってきます。

水はポンプにもどっても水のままですが、「電気のつぶ」はかん電池にもどると電気ではなくなるので、かん電池には寿命があるわけです。

 

水路の途中に水車があれば、水の流れをじゃましながら、水車はまわって仕事をします。

電気回路の途中に豆電球があれば、「電気のつぶ」の流れをじゃましながら、豆電球は光って仕事します。電流が流れにくいフィラメントの中を、むりやり「電気のつぶ」が通るからです。

 

電流とは、「電気のつぶ」が電気回路の中を流れることです。かん電池には、電流をおこす力があります。

電気回路とは電流の通り道、電流をじゃましながら光っているのが豆電球。かん電池は「電流を電気回路におこす力」、豆電球は「電流のじゃまもの」と考えてください。

 

電流を電気回路におこす力 = かん電池

 

 

「電気回路に電流をおこす力」は、変えることができます。

「かん電池」のつなぎ方によって、力が強くなったり、変わらなかったり。力が弱くなることは、ありません。

 

図の左2つは、かん電池の直列つなぎです。前の人の背中を後ろからおせば、力が２倍になるのと同じで、かん電池を直列につなぐと、電流をおこす力も２倍・３倍と強くなります。

図のまん中と右の2つは、かん電池の並列つなぎ。横に並んでおしても、力は変わりません。

 

私たちは、単１・単２・単３・単４など、さまざまな電池があることを知っています。でも、よく見ると、すべての電池に「1.5V（ボルト）」と書かれていますね。

ボルトとは、電流をおこす力の単位です。かん電池の大きさが違うのに、力は変わらないのです。

 

大きさが違うのは、中に入っている薬品の量が異なるからで、大きい電池ほど薬品が多く、長持ちします。

かん電池の並列つなぎは、大きくなった電池と考えてください。

 

電流の大きさと電気回路【かん電池の直列つなぎ】

 

図１は豆電球が１つ、かん電池が１つで、その時の電流を「１」とします。

このかん電池には、「電流のじゃまもの」が１つの時に、「毎秒１つぶ」の「電気のつぶ」を、電気回路におし出す力があると考えてください。

 

電気回路の中はどの場所も、「電気のつぶ」が常に「毎秒１つぶ」通過しています。電気回路の中にある、豆電球の電流も、「１」です。

これから先は、図１の電流に比べてどうなるかを、比べながら考えていきます。

 

図２は、「電気回路に電流をおこす力」が２倍になって、「電流のじゃまもの」の数は変わらないので、電流は「２」です。

電気回路の中はどの場所も、「電気のつぶ」が常に「毎秒２つぶ」通過しています。同じように考えると、図３の電流は「３」です。

 

図１から図３までの、かん電池の電流はどうでしょうか。

図１では、かん電池Aから毎秒１つぶの「電気のつぶ」がおし出され、「毎秒１つぶ」もどってきます。つまり、かん電池の電流は「１」です。

 

図２では、かん電池Bから「毎秒2つぶ」の「電気のつぶ」がおし出され、かん電池Cに「毎秒2つぶ」もどってきます。

また、かん電池Cから「毎秒２つぶ」おし出された「電気のつぶ」は、かん電池Bへ。かん電池B・Cはともに、電流が「２」となります。

同じように、かん電池D・E・Fはともに、電流が「３」です。

 

１本道の電気回路の中では、すべての場所を、同じ量の「電気のつぶ」が流れ続けています。

電気回路が全て直列であれば、１本道なので、話はとても簡単なのですが。

 

電流の大きさと電気回路【豆電球の直列つなぎ】

 

 

図４の「電気回路に電流をおこす力」は変わらず、「電流のじゃまもの」の数は２倍なので、豆電球の電流はそれぞれ「２分の１」となります。

電流が「２分の１」とは、「２秒に１つぶ」通りすぎると考えれば良いでしょう。図５では、豆電球の電流は、それぞれ「３分の１」です。

 

では、図４の「かん電池」の電流は？

「２分の１」です、まちがえないで下さい。多くの生徒は、「豆電球（電流が２分の１）」が２つあるから、足して「１」と答えるのです。

 

一本道の電気回路です。かん電池から「電気のつぶ」が「２分の１」おし出されるから、電気回路には「２分の１」の電流が流れ続けます。

そして、１つめの豆電球にも、２つめの豆電球にも、常に「２分の１」の電流が通り過ぎていくということです。

 

電流の大きさと電気回路【豆電球の直列つなぎ】【かん電池の直列つなぎ】

 

「電流のじゃまもの」の数は２倍ですが、「電気回路に電流をおこす力」も２倍なので、豆電球の電流はそれぞれ「１」です。

２つの電池はそれぞれ、常に「１」の電流を流し続けています。

 

ここまでの説明で気がついたかもしれませんが、電気回路ではまず、豆電球の電流から考えます。すべての豆電球が終わってから、かん電池を最後に考えるのです。

豆電球は電流が大きいほど明るく（小さいほど暗く）、かん電池は電流が大きいほど寿命が短い（小さいほど長い）ということは、常識的に考えても分かりやすいでしょう。

 

「まず全ての豆電球の電流を考える。最後に、かん電池の電流を考える。」という順番は、絶対に守ってください。

 

本番までの限られた時間を、もっと効率よく使いましょう！　以下の記事を、ご覧ください。
⇒ 中学受験 理科 偏差値アップの勉強法

 

電流の大きさと電気回路【豆電球のへい列つなぎ】

 

 

電流はプラス極を出発して、ひたすらマイナス極めざして進み、マイナス極にもどります。決して、途中でプラス極の方向にもどることはありません。

電気回路を確認するときは、プラスからマイナスに向けて、指でなぞりましょう。プラスからマイナスに向かう、「ひと筆がき」です。

 

上図では、２つの豆電球を、１度の「ひと筆がき」でなぞる事はできません。２つともなぞろうとしたら、１度プラスの方向にもどる必要があるからです。それはルール違反です。

プラスからマイナスにたどりつくまでの道が、電気回路。上図では道が２つ、つまり２つの電気回路が存在しています。

 

 

上の４つは、すべて同じもの。

つまり、どれも図１（電池が１つ、豆電球が１つの電気回路）が、同時に２つ（赤色と緑色）存在している状態です。

 

赤色と緑色は、おたがいに関係なく、独立して存在しています。

いっぽうの豆電球が切れたとしても、もういっぽうの明るさは、まったく変わりません。おたがいに、関係ありませんから。

 

 

おたがいに関係ないので、Aを考える時はBを見ません。と言っても見えてしまうので、手でかくしてください。

すると、図１と同じ電気回路が見えます。「電気回路に電流をおこす力」も「電流のじゃまものの数」も図１と同じなので、Aの電流は「１」です。

Bを考える時はAをかくすと、図１と同じなので、Bの電流も「１」です。

 

これで豆電球の電流がすべて分かったので、最後にかん電池の電流を考えます。

 

 

「赤色の電気回路」と「緑色の電気回路」が同時に存在していて、それぞれの電気回路の中を電流が「１」流れている状態です。

そして、２つの電気回路が電池に接続していますから、かん電池の電流は「２」ということになります。

 

かん電池は、赤色の電気回路に「１」流しながら「１」もどり、同時に、緑色の電気回路にも「１」流しながら「１」もどっています。

全体で見ると、２つの電気回路に対して、常に合計で「２」流しながら「２」もどる状態。かん電池の電流は「２」ですから、寿命は短いです。  

 

本番までの限られた時間を、もっと効率よく使いましょう！　以下の記事を、ご覧ください。
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電流の大きさと電気回路【かん電池のへい列つなぎ】

 

 

並列つなぎのかん電池は、大きなかん電池と同じで、「電流をおこす力」はかわりませんでした。

上図では、「電気回路に電流をおこす力」も「電流のじゃまものの数」も変わらないので、豆電球の電流は「１」。大きなかん電池の電流も「１」です。

 

大きなかん電池の中を見ると、右図のようになっています。「１」の電流が半分ずつに分かれて、各かん電池の電流は「０.５」。豆電球に送る電流を、半分ずつ分担しているのです。

かん電池の電流が半分なので、かん電池の寿命は長くなります。

 

電流の大きさと電気回路【豆電球のへい列つなぎ】【かん電池の直列つなぎ】

 

 

直列つなぎのかん電池は、「電気回路に電流をおこす力」が大きくなります。上図の場合、「電気回路に電流をおこす力」は２倍です。

この電気回路は、おたがいに関係のない２つの電気回路（赤色と緑色）が、同時に存在しています。赤色を考える時は緑色をかくし、緑色を考える時は赤色をかくしてください。

 

それぞれの電気回路は、「電気回路に電流をおこす力」が２倍で、「電流のじゃまものの数」は変わりません。各豆電球の電流は「２」となります。

電池は赤色の電気回路に「２」、緑色の電気回路に「２」の電流を、流し続けています。つまり、かん電池の電流は、2つとも「４」です。

 

電流の大きさと電気回路【豆電球の直列つなぎ】【かん電池のへい列つなぎ】

 

大きなかん電池の、「電気回路に電流をおこす力」は変わらず、「電流のじゃまものの数」が２倍。豆電球の電流は、それぞれ「０.５」です。

かん電池の電流は、それぞれ「０.２５」（４秒に１つぶ）づつとなります。

 

電流の大きさと電気回路【豆電球のへい列つなぎ】【かん電池のへい列つなぎ】

 

 

大きなかん電池の、「電気回路に電流をおこす力」は変わりません。 おたがいに関係のない２つの電気回路（赤色と緑色）が、同時に存在しています。赤色を考える時は緑色をかくし、緑色を考える時は赤色をかくしてください。

それぞれの電気回路は、「電気回路に電流をおこす力」も「電流のじゃまものの数」も、変わりません。各豆電球の電流は、「１」です。

 

大きなかん電池には、緑色（電流「１」）と赤色（電流「１」）がつながっていますから、流れる電流は常に「２」。

大きなかん電池の中を見ると、各かん電池が電流を「１」づつ分担しています。

 

電流の大きさと電気回路【直列とへい列の組み合わせ】

 

 

「電気回路に電流をおこす力」は、２倍です。

赤色の電気回路は、「電流のじゃまものの数」も２倍なので、豆電球の電流はそれぞれ「１」。

緑色の電気回路は、「電流のじゃまものの数」が変わらないので、豆電球の電流は「２」となります。

 

かん電池には、赤色と緑色がつながっているので、電流は2つとも「３」が流れていることになりますね。

 

 

仕上げとして、問題演習に取りくんでみましょう。

【問題演習：スイッチのある電気回路1】
⇒ 中学受験の理科 電流と電気回路～スイッチ回路の問題演習と解説【1】

【問題演習：スイッチのある電気回路2】
⇒ 中学受験の理科 電流と電気回路～スイッチ回路の問題演習と解説【2】

 

 

次のテーマは、「直列と並列の組み合わせ」です。以下の記事を、ご覧ください。
⇒ 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