電気の基礎について教えて下さい

質問

電気にうとい文化系の大人です。中学校の教科書で次のように教わったのを覚えています。電力＝電圧×電流であり、パチンコの玉＝電流、パチンコ台の傾き＝電圧、パチンコ台の釘＝抵抗のようなものである、と。ここで、例えば、同じ１００Ｗの電力で同じように光を放つ電球があっても、１Ｖ・１００Ａで光る場合と逆に１００Ｖ・１Ａで光る場合があると思います。どちらも同じ明るさで光るのは光るのでしょうが、何が違うのでしょうか？（抽象的な聞き方ですが…）　電球をより明るくしたい場合、乾電池を直列につないで電圧を強めたり実験しましたが、そうではなく電圧固定のまま（パチンコ台の傾きはそのまま）電流を増やす（パチンコの玉を増やす）にはどうしたら良いのでしょうか？　また、全てのパチンコ玉が釘に当たった時の衝撃（エネルギー）が光になると考えるのであれば、釘の数を増やすことにより電球を明るくすることもできるのでしょうか？　とすると、抵抗を増やすにはどうしたら良いのでしょうか？　どなたか教えて下さい。

回答No.5

sanori · ベストアンサー

いいですねー。こういうご質問。私、大好き。

こういうご質問への回答には、数式を使っちゃ「負け」なんですよ。
現実の電球の性能なんちゃらの細かい話も必要ないんです。

まず、はじめに、比喩について。
パチンコの玉＝電流、パチンコ台の傾き＝電圧、パチンコ台の釘＝抵抗
いいですねー、この比喩。何にも悪いことがないですねー。

問題はですね。
釘の数を増やすと電球の明るさが増す、という誤解なんですよ。
これが、勘違いしやすいところなんですよね。（私も少年時代、最初、勘違いしていました。）

わかりやすくするために、一番極端な状況を考えましょう。
釘の数をやたらめったら極限まで増やすとどうなるか？
そうすると、大渋滞が起こっちゃって、玉は全く通らなくなるんですよ。
だから電球は全く光らなくなる。

その逆を考えましょう。
電球を無限に明るく灯すためには・・・
そう。釘の数を限りなくゼロに近づければいいんです。

坂の傾き（電圧）が決まっているのであれば、あとは、玉の流れる量と速さ（電流）を大きくすれば電球を明るく出来るんです。
そのためには、釘を少なくすれば良いわけです。

光になる元のエネルギーがどこから来たかといえば、こんな感じに考えればいいですよ。
パチンコの滑り台の上から下まで落ちるときのエネルギー。
釘に途中ぶつかろうが、直接素通りで落ちて下でお尻（？）が痛くなろうが、ぶつかったり痛くなったりしたエネルギーの合計は結局ボルトで決まっているんですよ。
これが光になるエネルギー。
だから、玉の数、すなわち、何個の玉を落とせるかが、明るさの勝負なんですよ。

さて、
同じ電圧で今度は、同じ電球を２個直列つなぎしたとしましょうか。
「傾き」は変わりませんね。
「釘」は２倍に増えました。
そうするとね。ちゃんと暗くなるんですよ、これが。
釘が２倍あると玉はいやんなっちゃって２分の１しか通らなくなるからですね。
２個の明るさを足して、やっと、元の１個のときの明るさの２分の１。
すなわち、２個のうち１個だけの明るさを見ると、元の４分の１。
だから、電球を暗くしたいのであれば、２個直列つなぎにすればいいんです。

なお、ヘアードライヤー等の電気を食う家電製品は、抵抗が低いから電気を食うわけです。

回答No.4

sailor

電球の話は現実にはそうはならないでしょう。電球の明るさはフィラメントの形状や材質などによって同じ消費電力であっても同一にはなりません。この例のように１００Ｖ・1Ａのものは、良く見かける電球のフィラメントのように細いタングステン線をコイル状に巻いたものになるでしょうけど、1Ｖ・１００Ａの電球となるとタングステンをフィラメントに利用するのであれば線と言うより固まりになってしまうでしょう。高温になり発光する面積がまるで違ってしまいます。したがってこれはイコールにはならないでしょう。しかし、これは電気の問題というより電球の高率の問題です。電球は光とともに熱も（実際は熱のほうがはるかに多い）放出しているのですが、このエネルギーの合計はどちらも同じになるので、矛盾はしません。

電圧が同じ状態でより明るくするには、フィラメントの太さを太くして、同じ電圧でも大きな電流が流れるようにします。同じ物質であるならば、断面積が大きい方が電気抵抗が小さくなるので、こうすることで同じ電圧でもワット数を変えることができます。

確かに抵抗を増やすと電流は他のエネルギーに変換されますが、必ずしも光になるのではなく熱になってしまう方がはるかに多いのです。電球の光は熱の副産物程度のもので、実際には一般の白熱電球では９８％程度が熱になってしまい、目的である光になるのはわずか２％程度なのです。

抵抗を増やすには導体の太さを細くするか、導体の長さを長くするか、固有抵抗の大きな導体（金属などには固有抵抗という物があり、それぞれの物質で異なります。固有抵抗とは一定の断面積の一定の長さの抵抗のことです。）をを使用するなどです。

パチンコ台と玉の関係で考えられているようですが、バケツと水の関係のほうが、理解し易いのではないでしょうか？水の入ったバケツの底にホースを取り付けた装置を考えてください。ホースの下には水車がつけられていて、水車に水を当てるためのノズルがつかられています。電圧はバケツの高さに電流はホースを流れる水にたとえます。電流が流れたことによる仕事（Ｗ）が水車の回転で得られる仕事です。

バケツの高さを高くして電圧高くすると他の条件が全て同じでも、水車のノズルから出る水の勢いが強くなるので水車は早く回り（Ｗが大きくなる）ます。逆にバケツの高さが同じでもノズルの直径を大きくしてやれば、水車に多くの水があたり水車は速く回ります。ここでいうノズルの太さが抵抗（ノズルが太いほど抵抗が小さい）にあたります。

ちなみに大まかに言うと（厳密には他の要素が絡むので正しくありません）抵抗は導体の固有抵抗の断面積に反比例（断面積が２倍なら抵抗は半分）し長さに比例します。あとはオームの法則の式に当てはめれば自ずと答えは出るでしょう。

細かなことを言うと断面積を２倍にしても抵抗値は半分にはなりません、これは表皮効果という現象によるものです。また、金属など一般的な導体では温度によって抵抗値が変化し、一般的に（例外が在るので）温度が高くなるほど抵抗が大きくなります。電球のように通常使用する状況での導体温度が高温であるものは、その温度で定格電力になるように設計されているので、常温ではもっと小さな抵抗をしめします。１００Ｖ・１００Ｗの電球の抵抗は１００オームのはずですが、テスターなどで計ると１００オーム以下の値を示します。これは実際に点灯させて高温になったときに１００オームになるように設計されているからです。

図解無しで十分に理解していただけたかどうかわかりませんが・・・

回答No.3

keyguy

１Ｖ・１００Ａで光る場合と逆に１００Ｖ・１Ａで光る場合：
電球の抵抗は電球の性質でありこのように極端にV・I一定でVが１００倍も違うように選択することが困難でしょう
電流を流して熱と光の比率は材料によって違うのでその比率次第と言うことになります

電圧固定のまま（パチンコ台の傾きはそのまま）電流を増やす（パチンコの玉を増やす）にはどうしたら良いのでしょうか？：
いろいろな材料をフィラメントにして抵抗の大きいものから小さいものを選別すると言うことですね
しかし熱対光の比率がいいものになるとほぼ同じような抵抗になるので極端なものはないでしょう

抵抗が大きいものは作れますが材料の性質上熱ばかり出て光らないものばかりでしょう

回答No.2

wolv

電力＝電圧×電流
の他に「オームの法則」というものがあります。
　オームの法則：　電圧＝電流×抵抗
この二つの式を使うと、電圧が一定の場合の抵抗と電力の関係などが求まります。

電圧が一定の場合：
　電力＝電圧×電圧／抵抗
となります。つまり、電圧が同じ場合には、抵抗が増えると電力は減ります。

電流が一定の場合：
抵抗を増やし、それと同時に電圧も上げて、電流が同じになるようにする場合は、抵抗と電流の関係を考えます。この場合は、
　電力＝電流×電流×抵抗
となります。抵抗を大きくし、電流が等しくなるように電圧もあげるなら、抵抗に比例して電力も大きくなります。

抵抗は、電球の性質なので、基本的には値はそとから変えることはできません。（ただし、温度によって抵抗の値は変わります。）複数の電球を並列や直列につなぐことによって、回路全体としての抵抗値は調整（設計）することができます。

回答No.1

ranx

比喩はあくまでも比喩ですから、あまり喩えに固執しない方がよいと思います。

> １Ｖ・１００Ａで光る場合と逆に１００Ｖ・１Ａで光る場合があると思います。
> どちらも同じ明るさで光るのは光るのでしょうが、何が違うのでしょうか？

同じ明るさになるかどうかは知りませんが、消費される電力は確かに同じです。
違いは電気抵抗です。電圧＝電流×電気抵抗ですので、前者は０．０１Ω、
後者は１００Ωの電気抵抗です。

> 電圧固定のまま電流を増やすにはどうしたら良いのでしょうか？

電気抵抗を小さくすればいいです。

> 釘の数を増やすことにより電球を明るくすることもできるのでしょうか？

喩えが不適当なので、答えられません。

> 抵抗を増やすにはどうしたら良いのでしょうか？

様々な方法があります。
・導電率の小さな材質を使う。
・抵抗部分の長さを伸ばす。
・抵抗部分を補足する。
などです。
なお、上に書いた通り、電気抵抗を大きくすると、消費電力は小さくなります。
恐らく暗くなると思います。