【短期攻略】中学理科・電気回路の基礎マスター講座｜熊本の学習塾ブレイクスルー・アカデミー
こんにちは。熊本の勉強戦略コンサルティング指導塾、ブレイクスルー・アカデミー代表の安東正治です。
今回は熊本の塾長が教えるシリーズの中学理科・電気回路の基礎をシェアさせていただきます。直感的に電流、電圧、抵抗を理解していただくことと、合成抵抗の公式をマスターしてもらうのが目的です。この機会にしっかり復習してしまいましょう。
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Contents
熊本の塾長と中学理科・電気回路を復習しようVol.1
まず最初にお話するのはやはり最もベースにある概念、「電流」「電圧」「抵抗」です。これらが一体何なのかということがつかめないと、その先はかなりキツイことになります。
はじめは「電流」です。電流とは電気の流れなのですが、正確に言えば「電子」の流れのことを言います。電気の正体は電子だったんですね。それもかなり厄介なのが、電子の実際の流れは直感とは真逆になってしまっている点。
これはどういうことかと言うと、中学生であればおそらく、電流の流れは「+(プラス) → -(マイナス)」だと教わると思います。しかし、これはまだ電子の存在がそこまで明確に理解されていない時代に決められたルールで、実際には逆の「-(マイナス) → +(プラス)」に流れているのです。その理由は、電子の電荷が – (マイナス)であるためです。
「電荷」というのは「電気的な性質」のことなのですが、電気的な性質には+(プラス)と-(マイナス)しかありません。そして電子の電気的性質は-(マイナス)であることが知られています。余談で言えば、正(プラス)の電荷を持つ電子も存在しているのですが、話が混乱するので、ここでは「電子は -(マイナス)」と考えて下さい。
つまり、電流は電子の流れのことなのですが、電子は「-(マイナス) → +(プラス)」に流れるのに対し、電流は「+(プラス) → -(マイナス)」に流れると覚えなければならないわけです。ただ、電流は「+(プラス) → -(マイナス)」に流れます。なので問題を解く際にはまずはここだけを覚えて下さいね。電子の流れの向きは一度忘れておいても大丈夫です。
熊本の塾長と中学理科・電気回路を復習しようVol.2
次に「電圧」と「抵抗」です。
電気回路は大抵導線を使って作ります。その導線の中を電流が流れていくのですが、途中に「抵抗」というものを置きます。これは流れてきた電流をあえて流れにくくするための部品です。中には電流の電気的エネルギーを別の形態のエネルギー、例えば熱エネルギーや光のエネルギーに換えるためのものもありますが、まずここでは「電流を部分的に流れにくくするもの」という意味合いで受け取って下さい。だから「抵抗」と言われるんですね。
抵抗されると何が発生するかというと、圧力が掛かります。抵抗されるということは流れがせき止められるので、せき止められたその部分には圧力が生じるわけです。これが「電圧」です。
電流的にはより抵抗が少ない方に流れたいですよね。わざわざ流れにくいところを好き好んで通りたいとは思いません。ですから基本的には電流は抵抗が少ない方を好んで流れていく傾向があります。抵抗が少ない方が圧力も少ないから楽ですよね。
熊本の塾長と中学理科・電気回路を復習しようVol.3
これら3つの関係は、かなりシンプルな式で表現できることが分かっています。それは
V = I × R
電圧 = 電流 × 抵抗
という式です。これを「オームの法則」と言います。
本当はこの関係性は1781年にヘンリー=キャヴェンディッシュという人が最初に発見したのですが、それが世に公表されたのは1879年に出版されたマクスウェル著『ヘンリー=キャヴェンディッシュ電気学論文集』が初めて。しかしその間の1826年に、ドイツの物理学者ゲオルク=オームによって再発見された際、すぐにこちらが公表されたことで、結果的にオームさんの名前が冠されることになったという裏話があります。電気工学の分野においてクーロンの法則と並び、最も重要な式とされるだけに、この功績のすれ違いは残念ですよね(汗)
さて、この画期的な発見は、その万能性も素晴らしいのです。というのも、最も単純なモデルで言えば、抵抗は1つなのでしょうが、実際にはいくつもの抵抗が存在し、回路のつなぎ方も複雑になっていきます。しかし、それらいくつもある抵抗を”合成”させて1つの大きな抵抗とみなすことで、実はオームの法則を適用して解くことができるわけです。
熊本の塾長と中学理科・電気回路を復習しようVol.4
この「合成」というワードですが、大きく分けると回路の種類が2種類あるので、その合成の仕方も2種類に集約することができます。それが「直列回路」と「並列回路」です。どんなに複雑に見える回路の構造も、基本的にはこの2つの回路が組み合わされて設計されているので、複数の抵抗を1つに集約する(合成する)際にも、2つの合成抵抗の公式を覚えておくことで対処できます。
直列回路というのは、1本の導線上にいくつもの抵抗を並べていく設計方法ですが、これは1本の導線の中に抵抗が並んでいるだけなので、単純に全部を足し合わせればいいよね、ということになります。結構簡単です。
問題は並列回路です。並列回路というのは、分岐した導線それぞれに抵抗が存在するような設計方法で、分岐する本数や抵抗値の大きさで変わってくるのですが、基本的な2本分岐のパターンを動画でご紹介してあります。この場合は単純な足しあわせとはいかず、逆数の足しあわせになります。逆数というのは例えば、3の逆数は1/3、17の逆数は1/17、2/3の逆数は3/2という風に、分母と分子が逆になる関係の数のことです。そして並列回路の合成抵抗の式は、この逆数の足しあわせで表現できることが分かっているのです。つまり
直列回路にR1とR2の抵抗があった場合の合成抵抗R’は
R’=R1+R2
並列回路にR1とR2の抵抗があった場合の合成抵抗R”は
1/R”=1/R1+1/R2 → R”=R1R2/(R1+R2)
ということになります。逆数が絡むとは言え、並列回路の合成抵抗の式も、かなりシンプルですね。
まとめ
理科という世界は天才たちのバトンの連鎖で紡がれてきた、とても面白い時代背景を持つ学問分野です。先に挙げたキャヴェンディッシュさんのように不遇な方も少なからずいらっしゃいますが、それらを教科書にまとめてもらって学べる今の時代というのは本当に恵まれていますね。
さらに言えば、電流と電圧と抵抗の関係が、あんなにシンプルな関係になっているのだという神秘。合成抵抗の式も、中学生が覚えてしまえるようなレベルの単純さ。これって思っている以上にすごいことなんですよ！
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熊本の塾長と中学理科・電気回路をマスターしよう！
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