電圧と電流の考え方を教えてください

質問

• 電圧と電流の関係を理解するために、電池と豆電球のつなぎ方を学習しています。電池と豆電球の個数によって電流の大きさが変化することを教わりました。
• 電池の直列と並列について学びました。電池の直列接続では電圧が加算され、電流は変化しません。一方、電池の並列接続では電圧は変化せず、電流が加算されます。
• 電流は電子の流れを表しており、回路内での導線を通る電子の数によって決まります。電流の大きさは電池と電球のつなぎ方によって変化し、電流の変化にはオームの法則を利用します。

回答No.3

mdmp2 · ベストアンサー

今は「そういうことになっている」として計算はできると思います。勉強を続けているうちにその理屈が分かってくるものです。
しかし、本質を知りたいという姿勢は悪くありません。

お子さんに説明するときは「余談」の部分には言及しないでください。混乱させる恐れがありますから。

電池には電圧があります。単位はボルト[V] です。
電圧とは電流を流そうとする力です。
電流は、電気の流れる量（専門的に言うと、1秒あたりの電荷の移動）です。単位はアンペア[A] です。
電池のプラス極とマイナス極を太い電線でつなぐと非常に大きな電流が流れます。（絶対にやらないでください。電池が爆発する恐れがあります。）
豆電球でつなぐと太い電線でつないだときより小さい電流が流れます。
電池の電圧が同じなのにつなぐものによって電流が違うのはなぜか？
それは、電線も、豆電球も抵抗を持っているのですが、その値が違うからです。太い電線は抵抗の値が小さいので、大きな電流が流れ、豆電球は抵抗の値が大きいので流れる電流は小さくなります。
抵抗とは電流を流しにくくする性質のことです。単位はオーム[Ω]です。

余談ですが、電池といっても最近はいろいろです。最も一般的なマンガン乾電池や、アルカリ乾電池の電圧は公称1.5V、新しいときは1.7Vくらいあり、使い終わりは1.1Vになります。小学校の理科の教育は身近にマンガン電池しかなかった頃からの継続ですから電池の電圧は1.5V として教えられます。現実の電池と違って電圧は1.5V で一定、電流はつなぐものにより違いますが、いくらでも流すことが出来るものと仮定します。

さて、この1.5V の電池にある豆電球をつなぐと、ある大きさの電流が流れます。小学４年生ですから、「何アンペア」と厳密に考えることはせず、「1」の電流が流れると考えます。「1」には単位がありません。２個並列につなぐと、それぞれの豆電球に「1」の電流が流れるので電池には合計した「2」の電流が流れます。水を入れた水槽の底に一つの穴を開けると「1」の水が流れ出し、もう一つ穴を開けると合計で「2」の水が流れ出すのと同じ考えです。

水槽の場合は、水の高さが穴から水を押し出す力（圧力）なので、電池の場合の電圧にたとえられます。穴から流れ出す水の量は「圧力＝水の高さ」と穴の大きさ（面積）によってきまります。大きい穴は水を流しやすく、小さい穴は水を流しにくくします。
水槽を二つを接してならべ、そのどちらにも同じ大きさの穴を開けると、流れ出す水の量は同じです。こうしておいて、二つの水槽が接しているところの壁を取り除いて大きさが2倍の水槽にしたらどうでしょう。二つの穴から流れ出す水の量は一つ一つの水槽のときと同じです。（そんなことは当たり前、と考えられるなら、次の説明はスキップしてください。）
何故でしょうか？それは、穴にかかる水圧が同じだからです。
大きさが2倍の水槽に同じ高さの水を入れたら、水槽の底にかかる圧力（水の重さ）はもとの水槽の場合の2倍になりますが、2倍の大きさの水槽の底の面積も2倍になりますから、単位面積あたり（たとえば、1平方センチメートルあたり）の圧力はもとの水槽の場合と同じです。
このパラグラフの説明は、電池を並列接続したばあいのたとえです。
電池を、「水」の代わりに「電気」が入った水槽と考えてください。そうすると、「電池を横に二つつないでも圧力（電圧）は変わらない」と考えることはできませんか？
結論として、「電池を並列に２個つないだときも電圧は1.5V 」です。
それでは、2個並列につなぐ意味はあるのでしょうか？理科で仮定する電池は取り出すことができる電流に制限がありませんが、現実の電池は電池の種類・サイズにより取り出せる電流の上限が決まっています。電池を複数個並列に接続すると、取り出すことができる電流は電池の個数倍（2個なら2倍）になります。

つぎに、一個の電池に2個の豆電球を直列にしてつないだ場合について考えてみます。
冒頭で、豆電球には電流を流しにくくする性質、抵抗があることを説明しましたが、豆電球を2個直列につなぐと、抵抗の値が2倍になります。豆電球1個のときは「1」の電流が流れていましたが、抵抗の値が2倍になったので、電流は二分の一になり、「0.5」になります。
この説明を受け入れることができますか？
余談ですが、これも豆電球の抵抗の値は変わらないものとする仮定に基づいています。実際の豆電球の抵抗の値は、一定ではなく、流れる電流により変化します。

つぎに、2個の電池を直列につないだ場合について考えてみます。
2個の電池を直列につなぐと、電圧が2倍になります。これは、水槽に入れた水の高さが2倍にすると、底にかかる圧力が2倍になることと同じ現象と考えてください。
直列につないだ2個の電池に1個の豆電球をつなぐと、電圧が2倍、抵抗は1個の豆電球分なので、2倍の電流が流れるので「2」になります。
実際の豆電球は、電圧が2.5V, 3V, 6V 等々、と決まっています。実験する場合はこの電圧より高い電圧をかけないようにしてください。

つぎに、直列につないだ2個の電池に、直列につないだ2個の豆電球をつないだらどうなるでしょう？
結論は、電流は「1」です。
電圧が2倍になり、抵抗も2倍になるからです。

お礼

あ～！！
分かったよ・う・な…！！！

他の回答者様方のご回答と合わせ咀嚼しておりました。

なんとなく理解に近づいてきた感触が…(喜)！

【電圧とは電子を押し出す力】という意味が分かっておりませんでした！

ですので、水槽の水を穴から出しているイメージではなく、滝から常に同じ水量が川に流れ込んでいて、その川の流れに〔抵抗〕が置いてある様なイメージでした。だから『電流ってなに？』状態だった様なのです。

今日は睡魔が…
明日再度ご回答読み込ませていただきます。

水槽のご説明良く理解できました。
ご回答ありがとうございました。

補足

mdmp2様

Dio_Genes様へのお礼コメントと重複いたしますがお許し下しさい。

≪詰まった電子の粒≫をイメージしながら
mdmp2様の≪水槽≫を何度も読んでおりまして…
ああ！！！！わかった！！！
すべてつながった感じでした。

私は、
≪×１個の電池は１個所の出口から1.5v分の電気(電流)を出している。
それなのに電球が並列になったところで電気が増えているのはおかしい！×電球が直列になったところで減るのもおかしい！！！×≫
と…頭を抱えていたのです。

すごい勘違いをしていました…。

電池を水槽に例えるなら、×並列電球は、水槽から一本のホースで排水されたものが途中で２本の水車につながるホースに枝分かれしているのではなく×、
並列電球は、●水槽に二つ穴があり、直接それぞれの穴につながったホースから同じ圧力で出される水流を受けている●。だから電池から流れている電流は２倍。

直列電球の場合は、
直列されている〔動きにくい水＝電池内の電子〕を押し動かさないといけないけれど、水槽からでている水路は１本(水槽の底の穴は１個で、つながっているホースも当然１本)なので電流も〔１〕分しかながれていない。
その〔１〕の力で倍になった電子を「よいしょ～」と押し動かすので、動かす力は一つ一つに対しては１/２しかかけられない事になる。
だから単位時間当たりに動く電子の量も１/２。だからその回路を流れる電流も、電池１＋電球１をの時を〔１〕の電流が流れるとすると、電池１＋直列電球２の時の電流は〔0.5〕流れている事になる。
という理解になり、
一応自分の頭の中ではつじつまが合いました！！

この考えで、ほかのご回答者様のご解説を再度拝読させていただきますと…ちゃんと理解できるではありませんか！！！

本当にすっきりいたしました！

私の様な者がBAを決めさせていただくなど大変おこがましいのですが、
【電流・電圧】に関してはDio_Genes様からの導きを理解につなげてくださったmdmp2様に感謝の気持ちとして、【直列・並列】に関しましては、当初から、本来〔電流電圧〕が理解できていれば大変わかりやすくすんなり理解できる丁寧なご解説をくださっていましたDio_Genes様に感謝の気持ちとしてBAとさせていただき、今回２件の質問解決とさせていただきました。

ありがとうございました。

補足のコメント欄でのお礼をお許しください。