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!

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

01 ポンプ(GIF)

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きますそしてポンプの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、水はホースの中しか行き先はありません。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点にも1秒ごとに「1」の水が通りすぎているはずです。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きます。

 

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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ます。

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ります。かん電池が「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」がおされて動きだします。「ところてん」みたいな感じです。

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ります。だから、かん電池には寿命があります。

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「光る」という仕事をします。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、豆電球は電流をじゃましながら光っています。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

02 電池の力(GIF)

かん電池のつなぎ方によって、「電気回路に電流をおこす力」は変わります。 「電気回路に電流をおこす力」である「かん電池」は、つなぎ方によって力が強くなったり、変わらなかったりします。力が弱くなることは、ありません。

左図は直列つなぎ。前の人の背中を後ろからおせば、力は2倍となります。直列につなぐと、電流をおこす力は2倍・3倍と強くなります。

右図は並列つなぎ。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。ボルトとは、電流をおこす力の単位です。大きさが違うのに、力は変わらないのです。

大きさの違いは、中に入っている薬品の量です。大きい電池ほど薬品が多いので、長持ちするのです。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】

03 電池が直列の場合(GIF)

図1は豆電球が1つ、かん電池が1つ、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。かん電池は、毎秒2つぶの「電気のつぶ」をおし出す事ができます。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。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にもどります。かん電池B・Cはともに、電流が「2」です。

同じように考えて、かん電池D・E・Fはともに、電流が「3」です。 このように1本道の電気回路の中で、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だと思います。

電流の大きさと電気回路【豆電球の直列つなぎ】

04 電球が直列の場合(GIF)

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」の数が2倍になっています。だから豆電球の電流はそれぞれ「2分の1」となります。

図5では、豆電球の電流はそれぞれ「3分の1」です。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。

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。多くの生徒が、「豆電球(電流が2分の1)」が2つあるから足して「1」と答えます。

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「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、「2分の1」の電流が通り過ぎていきます。

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】

05 直列 - 直列(GIF)

「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」となります。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たら、かん電池を最後に考えます。

豆電球は電流が大きいほど明るく、小さいほど暗いです。かん電池は電流が大きいほど寿命が短く、小さいほど長いです。

「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。」という順番を、絶対に守ってください。

 

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電流の大きさと電気回路【豆電球のへい列つなぎ】

06 電球が並列の場合(GIF)

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です。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。

07 電球並列のトポロジー(GIF)

上の4つは、同じものです。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、もういっぽうには関係ないですから明るさもまったく変わりません。

08 電球並列 手で隠す(GIF)

お互いに関係ないので、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。

09 電球並列 電池の電流(GIF)

「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」流れています。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。かん電池は2つの電気回路に対して、常に合計で「2」流しながら「2」もどっています。電池の電流は「2」ですから、寿命は短くなります。

 

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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】

10 電池が並列の場合(GIF)

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」です。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、右のようになっています。「1」の電流が半分ずつに分かれています。各かん電池の電流は「0.5」です。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ということは、かん電池の寿命はそれだけ長くなります。

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】

11 電池が直列・電球が並列(GIF)

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。上図では「電気回路に電流をおこす力」は2倍です。

この電気回路は、お互いに関係のない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ます。

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」です。

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。ですから、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】

12 電池が並列 電球が直列(GIF)

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倍になっています。ですから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)づつです。

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】

13 電池が並列 電球が並列(GIF)

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。 お互いに関係のない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ます。

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、常に「2」の電流が流れています。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】

14 組み合わせ回路(GIF)

「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倍ですから、豆電球の電流はそれぞれ「1」です。

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

かん電池には赤色と緑色がつながっていますから、電流は2つとも「3」流れています。

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