電池の直列つなぎと並列つなぎ

Question

あまりにも基本的で物理学のカテゴリーに入れるのもおこがましいのですが・・・。
子供に聞かれて恥をかかないように、苦手だった物理に再チャレンジしています。ところがいきなり初歩でつまづきました。
乾電池２個と豆電球１個をつなぐ場合、並列だと電圧も電流も１個のときと同じで直列だと電圧も電流も２倍になるのはどうしてですか？
小学校のときは「そういうものだ」と覚えたのですが、どうにもスッキリしません。水流に例えるといってもなんだかよくわかりません。
サルだと思ってわかりやす～く教えていただけないでしょうか。

tama1978 · Accepted Answer

小学生に教えるたとえ話が分からないという質問でよいのですよね。
私なりに考えたのですが、この電気の症状を水流で例えるには、限界があると思います。なので、こじつけで納得させるしかないと思います。
それを踏まえて、私なりの解釈を考えました。
私が小学生の頃は、『電圧』と『電流』と『電気の強さ』と『電気の量』という単語を使っていたような気がします。
イメージは、山の川を想定します。その川には上流にダム、下流に水車があります。
この時に、『ダムの貯蓄水は電気の量』、『水車の回転は電気の強さ』、『ダムの高さが電圧』、『水の勢いが電流』に例えます。
条件として一つのダムに対して、入口は一つです。
なお、ダムが一つの時を基準にします。
並列のときは、同じ高さにダムを２つひっつけるので、同じ高さでダムの貯蓄水が多く（土地が広がると思ってください）なります。だけど、ダムの入口は一つから流れる勢いは同じなので、ダム1つの時と水の流れる勢いと水車の回転は同じになります。
ダム1つの時と違うのは、ダムの貯蓄水が多くなります。つまり、ダム1つの時より長い時間、水を流す事ができます。つまり、電圧、電流、電気の強さは、同じだが、電気の量が多くなったので、長持ちすることが説明できます。
次に直列の場合です。
直列の時は、ダムの上にダムが繋がるので、ダムの高さが高くなります。上のダムから水を流すと下のダムの貯蓄水が溢れるので、水の勢いを上げて貯蓄水を捨てます。水の勢いが増したので、水車の回転も速くなります。
ダム１つの時と違うのは、ダムの高さ、水の勢い、水車の回転です。
なので、直列の場合は、電圧、電流、電気の強さが上がります。電気の量は、捨てる水の勢いを上げたので、貯蓄水の減る早さが並列の時より早くなります。つまり、並列の時より長持ちしません。

かなり、こじつけのたとえ話ですが、どうでしょうか？
小学生にとって電気は、実験体験する事で納得し易いと思うのですが

91091 · Answer

基本原理から考えてみます。
電流がなぜ流れるか。
導体内には自由電子があり、電界を受けることにより、電子が移動するからです。電界を発生させているのは、電池なのですが、電池のプラスとマイナスの電極で、電荷の勾配が起こるため、電位差が発生し、それが電界を生じさせます。
電池を直列につなぐと、二段の電荷の勾配を生じさせるため、２倍の電位差が生じます。電子が２つの電池を突き抜けるには、２倍のエネルギーが要りますから。
並列につなぐと、一段しか、電位差を生じさせません。
導体内というのは、抵抗が０でつながっていれば、電位差は生じないようにできており（それが導体の定義のようなもの）、並列だから電流が合流するというようなことはなく、一段分の電位差しか生じません。
帯電したコンデンサーを二つ並列につなぐと、電荷が２倍になっても、面積を２倍したことと同じになるため、結局電位差は変わらない状況と似ています。

noname#74145 · Answer

まず
＞並列だと電圧も電流も１個のときと同じ・・・になるのはどうしてですか？

１、並列と言う事は同じ1,5ボルトの電池どおしですから電池間には電流は一切流れませんよね？電位差が無いからです、これはお分かりでしょうか？

２、と言う事は電池間に電流が流れないのだから有っても無くても同じです。

３、つまり一個単独でも二個並列でも100000000個並列でも電圧に関しては違いは無いという事です。

４、電圧が同じなら豆電球側から電池を見れば一個か100000000個並列かの区別はつきません、当然電球に流れる電流に差は出ませんので一個の時と明るさは同じです。

５、次に
＞直列だと電圧も電流も２倍になるのはどうしてですか？

これは積み重ねた結果そうなるのです。例えば地上に高さ1,5メートルの棒を立てればその頂点は地上から1,5メートルの位置にあります、当たり前ですが。
次にこの棒の上に同じ棒を乗せると上の棒の頂上は地上から３メートルの位置になりますね、足されるのだから当然です。
電池も全く同じで積み上げた結果3ボルトになるのです。

６、さらに
＞電流も２倍になるのはどうしてですか？
これは有名なオームの法則で理解できますが電気抵抗が同じなら電圧が倍になれば電流も倍になる、つまり電流は電圧に比例する訳ですね。
なぜか？
必要ならより理論的な説明を数式を使わないで行いますのでお申し付けください。

ここから下は小学校では教えませんので無視してかまいませんが。
　　　　　　　↓

＃６さんの意見は正しいですよ。実際の電球は電圧が増えると電流が増え、結果フィラメントの温度が上がり抵抗値も上がる。
つまり電圧を倍にしても電流は倍にはならないわけです。逆に言うと電圧が下がると抵抗値も下がるので電流は意外と減らないですね。懐中電灯の電池が減り始めると急激に暗くなりますがこの現象の理由の一つに抵抗値が小さくなる事があげられます。参考までに普通の100ワット電球の点灯時の抵抗は100オームですが非点灯時では何と10オーム以下になります。

ついでに電池一個で１時間持つ場合二個並列なら二時間持ちますね。では二個直列にした場合電池は何時間もつと思いますか？
答えは30分です、理由ですが電圧が倍になると電流も倍になり（抵抗値は変化しないとして）電球の消費電力は
消費電力＝電圧×電流
の式で表せますが一個や二個並列の時の四倍になるでしょう。
つまり消費電力は一個のときの四倍に増えるのに電池の数は二個ですから一個当たりの負担は倍になりますよね、結果寿命は半分の30分となるのです。

Meowth · Answer

直列だと電圧も電流も２倍
にはなりません。
豆電球のI-V線は直線ではありません。
小学校のときは「そういうものだ」と覚えた
としたら間違えです。
教科書にも、かいてありません。
（明るくなる）だけです

debukuro · Answer

ペットボトルを三つと太いストローを一本用意します
ペットボトルの一つは肩のところから上を切り取ります
後の二つは前に切ったものの半分の高さに切り取ります
高いものが一つとその半分の物が二つできます
ペットボトルにストローがぴったり入るくらいの穴を開けます
穴の位置は次の通り
高いものは下の横の部分に穴を開けます
低い物の一つには高いものと同じに穴を開けます
もう一つには二つの穴を下の横の互いに反対の位置に穴を開けます

一つの穴を開けた低い方の穴に５ｃｍくらいに切ったストローを挿し込みその端を二つ穴の一つに挿し込みます
ストローとペットボトルの隙間から水が洩れないようにご飯粒をつぶしたものを詰めます
三つのペットボトルの上まで水を入れます
水の出方がどうなるか観察してみてください
水の出口を台の端に来るように置くとよく判ると思います
高いビンが直列
低い二つがが並列に相当します

sanori · Answer

すいません。並列つなぎの場合の説明文を大幅修正します。
原稿の編集をミスしてしまいました。
（図は変わりません。）

【訂正後】
------------------------------------

　　　　┌----Ａ----(-)乾電池(+)----Ｄ----┐
Ｃ----┤　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　├----Ｆ----豆電球----Ｇ----┐
│　　　└----Ｂ----(-)乾電池(+)----Ｅ----┘　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│
└-------------------------------------------------------------┘

この図で一番大事なことは、
・ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣ、ＣとＧは、抵抗無しでつながっているので、Ａ，Ｂ，Ｃ、Ｇの電圧は同じ、
・同様に、Ｄ，Ｅ，Ｆは電圧が同じ
であることです。
電池の両側は１．５Ｖなので、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｇを０Ｖとすれば、Ｄ，Ｅ，Ｆは全部１．５Ｖです。
つまり、電球の両側に着目すると、Ｆが１．５Ｖ、Ｇが０Ｖなので、電球にかかる電圧は１．５Ｖです。
３Ｖにはならないということが、理解できましたでしょうか。
------------------------------

sanori · Answer

これは、電流というよりは、まず先に電圧の問題です。
（電圧が決まれば、後で、オームの法則により電流が算出されるだけですから。）

乾電池の両側の電圧は、必ず１．５Ｖです。

並列つなぎの場合

　　　　┌----Ａ----(-)乾電池(+)----Ｄ----┐
Ｃ----┤　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　├----Ｆ----豆電球----Ｇ----┐
│　　　└----Ｂ----(-)乾電池(+)----Ｅ----┘　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│
└-------------------------------------------------------------┘

この図で一番大事なことは、
・ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣは、抵抗無しでつながっているので、Ａ，Ｂ，Ｃの電圧は同じ、
・同様に、Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｃも電圧が同じ
であることです。
電池の両側は１．５Ｖなので、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを０Ｖとすれば、Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｃは全部１．５Ｖです。
つまり、電球の両側に着目すると、Ｆが０Ｖ、Ｇが１．５Ｖなので、電球にかかる電圧は１．５Ｖです。
３Ｖにはならないということが、理解できましたでしょうか。


直列の場合は、
┌----Ａ----(-)乾電池(+)----Ｂ----(-)乾電池(+)----Ｃ----電球----Ｅ----┐
│　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│
└--------------------------------------------------------------┘

ここでも重要なのが、ＡとＥは抵抗ゼロでつながっているので、ＡとＥの電圧は同じだということです。
Ａ＝Ｅ＝０Ｖ　と置けば、
電池の両側の電圧は、必ず１．５Ｖなので、
Ｂ　＝　Ａ＋１．５　＝　０　＋　１．５　＝　１．５Ｖ
Ｃ　＝　Ｂ＋１．５　＝　１．５　＋　１．５　＝　３Ｖ

電球の両側は、Ｃ（＝３Ｖ）とＥ（＝０Ｖ）なので、電球にかかる電圧は３Ｖです。


以上で説明は終わりです。
（電圧が決まれば、電流はオームの法則で求まりますから。）

he12345678 · Answer

はじめまして。
上手に答えられるか不安ですが、チャレンジしてみたいと思います。

答え1.
　そういう性質だから。
　・・・ということではすまないんですよね。失礼しました。

答え2.
「電圧」という言葉は、電気の持つエネルギーの強さを表します。
蛇口から出る水の強さみたいなもの。

「容量」という言葉は、電気の貯めることの出来る大きさを表します。
水を蓄えるバケツの大きさみたいなもの。

直列の性質は
電圧が合成（足し算）出来ます。
容量は変わらなくなります。
２倍強くなりますが、使える電気の量は１個のときと同じ。
　
並列の性質は
容量が合成（足し算）されます。
電圧は変わりません。
２倍長持ちしますが、力は１個のときと同じ。

電池を２個準備すると、外見の大きさが同じものが２個つくので
容量が２倍になりそうな気がします。
だけど電圧が２倍になることは見た目には判りません。

だけど、電気はその接続方法により、見かけとは違う特性を持つのです。

という説明が私の限界みたいです。
スイマセン。

Lupinus2 · Answer

二人の人が並んで手を繋いで走っても一人の時と速さは同じです。

前後に並んで後ろの人が前の人を押してあげれば一人よりも速く走れます。

そんな感じ。

電池の直列つなぎと並列つなぎ

小学生に教えるたとえ話が分からないという質問でよいのですよね。

基本原理から考えてみます。

まず

直列だと電圧も電流も２倍

ペットボトルを三つと太いストローを一本用意します

すいません。

これは、電流というよりは、まず先に電圧の問題です。

はじめまして。

二人の人が並んで手を繋いで走っても一人の時と速さは同じです。

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