豆電球とモーター

Question

子供の理科の教材で遊んでいたときに偶然発見しました。
乾電池に直列に豆電球とモーター（プラレールに入っているようなもの）をつなぐと豆電球はつきますが、モーターは回りません・・・
乾電池を増やしても豆電球は明るくなりますが、モーターは回りません。
試しに乾電池に並列に豆電球とモーターをつなぐと豆電球はついて、モーターも回ります。

なぜでしょうか？？？

kichikara · Accepted Answer

モーターを電池には接続せずに、豆電球につなぎ、軸を手で回してやると豆電球が点灯すると思います。モーターはそのまま発電機になるのです。
　次に、モータを単体で（豆電球はナシで）電池につなげば、モータとして軸が回転を始めます。先程、【手で】軸を回した時には豆電球を光らせるほどに発電したこの機械は、実は【電気で】軸を回しても発電します。これが先の方々の解答中にある「逆起電力」です。この逆起電力、エネルギーとしては供給された電源を上回ることはありません。また名前の通り電源とは逆の極性で発電される為に、モータ内部に電流を流さないようにしようとする方向に作用します。

　最初に、モータが停止している状態では、モータの中身はただコイル状に巻いてあるだけの長い銅線ですから抵抗分は微小で、かつ軸停止ですから電源に逆らう逆起電力も発生していません。ここへ電池をつなぐと瞬間に大きな電流が流れます（オームの法則により）。電流が流れるとフレミングの左手やらナンダカンダで軸が回転を始めます。すると今度はフレミングの右手やらで逆起電力が発生し、電源に逆らい電流を抑えにかかります。逆らいきれず回されながら逆起電力を発生させながら、モータは回転速度を安定させます。文章にすると長いですが、これが一瞬のうちに行われるのです。

　さて、モータは最初の一瞬だけ大きな電流が流れます。この大電流で、停止していた軸が回転を始めるのです。回っている軸を回し続けるのに大きな力は必要ありませんが、停まっている軸を回し始めるのには大きな力が必要です。
　ここで、直列に豆電球がつながっていると、これが電流制限器になってモータを回し始めるだけの大電流を流せません。豆電球の抵抗はモータのそれよりずっと大きいのです。さらに、豆電球のフィラメントは発光発熱すると抵抗値が大きくなります。ますます電流は流れにくくなります。

　それだけでは有りません。モータ単体でなら電池の電圧は全てモータだけに与えられましたが、直列に豆電球がつないであると電池の電圧をモータと豆電球とで分けあう事になります。分け前は互いの【抵抗値の比】で決まるので、豆電球よりもずっと小さい抵抗値しかないモータにはわずかな電圧しかかかりません。

　電圧はかからない、電流も足らない、ではモータは回り出しようもありません。「コイル状に巻かれた、単なる長い銅線」として、豆電球が光るに足るだけの電流を細々と流し続けるだけ、と云うことになります。

　以上、小学校高学年向け。電気科の学生がレポートにこの文を参照すると、教師の失笑を買うでしょう。専門的なところは、先の方々の解答にある通りです。お子様への説明の一助になれば幸いです。

KEN_2 · Answer

まず、並列接続と直列接続の違いについて違いを確認してください。
そのあと直列接続の場合抵抗値が大きい豆電球と抵抗値が小さいモーターで、抵抗値が大きい豆電球に電圧が印加されてモーターに電圧が加わらない実験を思い出してください。
オームの法則で充分当てはまる現象で、モーターの内部抵抗が低いのも回転すると逆起電力が発生して見かけ上の内部抵抗が大きくなるのも事実です。
子供に説明するには少し難しいですので割愛しますが実験で確認できます。

１．並列接続の場合；豆電球とモーターは互いに影響しません。
　電池の電圧が個々に印加されるから、モーターは豆電球の影響を受けません。
２．直列接続の場合；豆電球は点灯してモーターは回りませんが、モーターの軸を手で回してやると豆電球は明るさが暗く変化します。
　これがモーターの逆起電力が発生して内部抵抗が大きくなる現象の確認になります。
　理科の教材の中に明るさの違う豆電球があれば、並列接続と直列接続の場合を比較して先の違いを実験できます。
他は先の回答者様の説明通りです。

子供の理科の教材で偶然発見について疑問を持ち興味を持つように育てられれば宜しいですね。

ymmasayan · Answer

モーターはオームの法則が当てはまりません。
停止時の内部抵抗は非常に小さいです。
しかし回転数が上がると逆起電力が発生して見かけ上の内部抵抗が非常に大きくなったように見えます。
つまりモーターが回り始めるほど高い電圧が掛るようにしてやらないといけないのです。
電球とモーターの内部抵抗の差は非常に大きいですから相当な高電圧をかけないとダメでしょう。

a987654 · Answer

オームの法則　電流＝電圧／抵抗　をまずご理解下さい。
１００Ｖ１００Ｗの電球と１０００Ｗ１００Ｖの電球を直列に
つないで（実際にはやらないでください）１００Ｖを印加すると
１００Ｗの電球は付きますが、１０００Ｗの電球は点灯しません。
これは１００Ｗの電球は１００オームの抵抗で、１０００Ｗの電球は
１０オームの抵抗になっています。
この場合約０．９Ａ（１００Ｖ／１１０オーム）の電流が流れて
１００Ｗの電球には約９０Ｖ、１０００Ｗの電球には１０Ｖの
電圧がかかります。
従って１００Ｗの「は単体のときより少しだけ暗く付きますが、
１０００Ｗの電球は１０Ｖしか電圧がかからず（これを分圧と
言います）点灯しません。
これとまったく同じことが起こっているのです。
すなわち、質問者の方のつないだ電球とモータにはワット数の差が
大きくて分圧された電圧ではモータが回るだけの電圧に達していない
からモータは回らないのです。

豆電球とモーター

モーターを電池には接続せずに、豆電球につなぎ、軸を手で回してやると豆電球が点灯すると思います。

まず、並列接続と直列接続の違いについて違いを確認してください。

モーターはオームの法則が当てはまりません。

オームの法則 電流＝電圧／抵抗 をまずご理解下さい。

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オームの法則　電流＝電圧／抵抗　をまずご理解下さい。