光電池と乾電池

質問

小学生の理科の学習の内容です。『光電池について』という以下の文章が正しいのかどうかわかりません。光電池や乾電池の２個を直列につないだときと、並列につないだ時とでのモーターの回転速度の違いから、乾電池と光電池の特徴（起電力？電流特性？内部抵抗？）の違いを説明したもののようです。『・・・・光電池は２個を直列につなげば電圧は２倍になるが電流の大きさは（１個のときと）同じである。したがって、モーターの回転数は変化しない。逆に光電池を２個並列につなぐと、電流の大きさは（１個のときの）２倍になり、モーターは早く回る。乾電池の直列つなぎ、並列つなぎと逆の現象が起こるので、光電池の直列・並列のつなぎについての学習は小学生には混乱を招く恐れがある。』後半の＜乾電池の直列つなぎ、並列つなぎと逆の現象が起こる＞のくだりが理解できないのです。乾電池も光電池も適切な条件の下で同じモーターを回したとすれば、＜乾電池のときと同じ現象になるもの＞とばかり思っていたのです。　私の理解は間違いでしょうか？　また、この文章は負荷が豆電球の場合（光度）でも当てはまるでしょうか？　私はいわゆるオームの法則（Ｉ＝Ｖ/Ｒ）は理解しているつもりですが、直流モーターの電圧-電流特性や回転速度による抵抗値の変化などについてはまったく知りません。また直流モーターの回転速度は負荷電流の大きさにのみ比例するのでしょうか？　すみません。教えてください。よろしくお願いします。

回答No.2

KonnaMonde · ベストアンサー

この説明文の前段で、接続するモーターの大きさ(電流、電圧、回転数のかく諸元)と光電池の電流、電圧特性(能力)の説明があると思います。　ここを読み飛ばすと理解が難しくなります。

文章で説明しても分かり辛いと思いますが、なるべく平易に説明します。　まずは、光電池の特性から。　

光電池の出力端子になにも繋がないときの電圧を、開放電圧と言いますが、この時の電圧が一番高く、端子に抵抗をつなぎ、抵抗値を少しずつ少なくしていくと、それにつれて抵抗を流れる電流は多くなっていくと同時に、電圧も少しずつ低下していきます。

ところが、ある点付近(最大出力点と呼ぶとします)を境に、抵抗を下げていっても、電流は殆ど増加しなくて、電圧は急激に低下していきます。　抵抗をゼロにしたとき(電圧はゼロ)に流れる電流を、短絡電流といって、この電流以上は取り出せません。

つまり、抵抗値を下げていくとき、最大出力点付近までは、乾電池に近い動作をしますが、最大出力点を過ぎる使い方をすれば、乾電池と全く違う動作となります。

モーターが小さくて、光電池が大きい場合は、乾電池に似た動作をします。　つまり、モーターに光電池を２個直列につないでも、光電池の最大出力点より少ない電流しか流れないときには、光電池を直列にした方がモーターは早く回ります。

モーターに光電池を１個つないだ時にすでに光電池の最大出力点を過ぎるようなモーターと光電池の組み合わせの場合は、光電池２個直列につなぐと、一見、電圧が倍になり、電流も倍近く流れると考えがちですが、電圧が増加すると電流は多く流れようとするが、電圧低下の方が大きいので、結局、ほぼ１個のときと同じ電流しか流れないことになります。　これが定電流特性といわれる所以です。

こういった組み合わせの場合は、光電池１個でも最大出力点を過ぎていますので、２個並列につなぐことにより１つの光電池が負担する電流が減りますので、電圧が高くなり、２個の光電池の合計電流は１個のときより多くなる、すなわちモーターは早く回転することになります。

乾電池の場合は、多く電流を流しても電圧の低下は少ないので、乾電池２個直列につなぐと当然電流も２倍近く流れますのでモーターは早く回ります。
並列の場合は、もともとそんなに電圧が低下していないので、２つにしても、モーターに流れる電流は多くなりませんので、回転数も変化しません。

本題の説明文は、光電池の性質を端的に表すために、後者のようなモーターと光電池の組み合わせで実験をしてその結果、云々であると説明していると思います。

お礼

すばやく、親切な説明に感謝します。質問文は、上半分を省略した状態での質問にもかかわらず、お二人とも質問の意を正確に推理していただき、しかも分かりやすくご教授いただき大変ありがとうございます。光電池の出力特性がよく分かりました。これで小学５年生にも説明してやることが出来そうです。助かりました。解答してくださったお二人には同じお礼内容で恐縮ですが、感謝の気持ちは同じです。また、これからもどうぞよろしくお願いします。

回答No.1

ymmasayan

上記の説明はかなり端折ってありますので正確に理解することは難しいですね。

まず乾電池は定電圧源、光電池は定電流源とみなせると言うことです。↓
例で説明しましょうか。
５Ｖの定電圧源と１０Ωの抵抗があったとします。
５Ｖ１個で０．５Ａ、２個並列でも０．５Ａ、２個直列なら１Ａです。

０．５Ａの定電流源と１０Ωの抵抗を考えると
電流源１個で５Ｖ、電流源並列で１０Ｖ、電流源直列で５Ｖとなります。

定電流源の場合、並列で電圧が上がり、直列で電圧が上がらないと言う一見奇妙なことが起こります。
しかし定電流源とはもともとこのようなものなのです。

定電流源を説明しないでいきなり光電池を説明するとこういう迷路にはまってしまうわけです。

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%AA%E9%99%BD%E9%9B%BB%E6%B1%A0

お礼

すばやく、親切な説明に感謝します。質問文は、上半分を省略した状態での質問にもかかわらず、お二人とも質問の意を正確に推理していただき、しかも分かりやすくご教授いただき大変ありがとうございます。光電池の出力特性がよく分かりました。これで小学５年生にも説明してやることが出来そうです。助かりました。解答してくださったお二人には同じお礼内容で恐縮ですが、感謝の気持ちは同じです。また、これからもどうぞよろしくお願いします。