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!

                          

2019/08/03

 

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。

 

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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】

 

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。  

 

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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ますから、電流は2つとも「3」が流れています。

 

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