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電気回路を教えています。
電池だけの回路(短絡回路)をつくり電池の両端の電圧を測ると、ほぼ0でした。
なぜでしょうか?
V=IRの式に代入するとIは大きいが、Rはほぼ0なのでVはほぼ0になることはわかりますが、
この式を使わないで説明しようとすると難しいです。

電圧とは水路の例えでいうと、水の落差になります。
水の落差があるゆえに、電流が流れます。
高い電圧があるからこそ、電流がたくさん流れる、という考えからは、
上記の結果は外れているように思えます。
電流の値が大きいにもかかわらず電圧はとても小さいからです。
言い方を変えると、なぜ、電圧が少ないのにたくさんの電流が流れているのでしょうか。
私の理解のなにが間違っているのでしょうか?
よろしくお願いします。

A 回答 (5件)

内部抵抗、については先の回答者。


水路に例えるとき、ただの水ための水面位置と電圧と比較できません。
満杯の水溜からわずかでも水を流すと、即水面が下がります。
電池を水の容器に例えるときは、底がバネで押し上げられるもので、水面が下がった分だけ底が持ち上がる構造を考える必要があります。
さらに、内部抵抗は水面と底の間が区切られ、その区切りに小さい穴が開いている構造、穴の大きさが内部抵抗になります。
バネの力は起電力です、起電力が大きくても、穴が小さいと上部の水が大量に流出しても、補給が追いつきません、これが短絡した状態です。
>高い電圧があるからこそ、電流がたくさん流れる
回路の抵抗が同じ時、という条件が付くのを忘れています、高い電圧があっても、通常の外部回路の抵抗が大きいと、電流は少ししか流れませんよ。
>電圧が少ないのにたくさんの電流が流れているのでしょうか
逆ですね、大電流により抵抗で電力が消費され電圧が下がる、です。
おおざっぱにいえば、電圧と電流は随時相互に変換されます。
通電したコイルの電流を瞬間に遮断すると、コイルは電流を流し続けようとする性質があるが、回路が遮断されているため、電圧に変換され高圧が発生します。
抵抗は電圧を生じる、という考え方もあります、短絡した回路には抵抗がないため、電圧は現れないとも言えます。
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その考えには2つの重大な誤りがあります。



ひとつは回答No.1にあるように、電池には必ず内部抵抗があり、それが考慮されていません。この内部抵抗は短絡回路の導線の抵抗より「相対的に」はるかに大きいので、短絡された電池の両端の電圧はほぼゼロになります。電池の内部抵抗を0.5Ω、短絡回路の導線の抵抗を0.005Ωとすれば、短絡された電池の両端の電圧はほぼ1/100(ほぼゼロ)に低下します。

もうひとつは、線形で考えているからです。線形とは、分かりやすく噛み砕いて言えば、どこまで行っても正比例の関係が続く、ということです。電池では現実にそうはならず(つまり非線形です)、電池から取り出せる電流(I)は幾らでも大きくなるのではなく、頭打ちになってきます。

この2つをまとめて言えば、理想状態における机上の空論をしているのが誤りのモトです。
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一応数式で説明しときます。



電池には内部抵抗があってOではありません。

電池を、理想電圧源と内部抵抗が直列に繋がっている というモデルを
採用すると、内部抵抗値をr、負荷抵抗をR、
理想電圧源の電圧(無負荷時の両極の電位差)=Vとすると、電流は

I=V/(r+R)

両極を短絡した場合は R=0ですから、電流は

I=V/r

つまりひかく的大きな電流が流れ、電池は発熱します。

短絡時の内部抵抗と負荷の電圧降下はそれぞれ

Ir=(V/r)r=V
IR=I・0=0

つまり電池の無負荷時の電圧(V)は、内部抵抗の電圧降下(V)
で相殺され、電極には電圧は出力されません。
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>なぜでしょうか?


短絡してるからです。

>Rはほぼ0なのでVはほぼ0になることはわかりますが、
>この式を使わないで説明しようとすると難しいです。

わざわざ敢えてこの式を使わず考えにくくする理由がわかりません。

>電圧とは水路の例えでいうと、水の落差になります。
>水の落差があるゆえに、電流が流れます。
>高い電圧があるからこそ、電流がたくさん流れる、という考えからは、
>上記の結果は外れているように思えます。

電気を水圧で100%表すことはできないのでそこにこだわってれば矛盾が生じるのは当り前です。


>電圧が少ないのにたくさんの電流が流れているのでしょうか。
電圧が小さくても、大電流を供給する電源装置はあります。
例えば
単一乾電池を100個並列接続すれば、電圧は1個の時と同じ1.5Vなのに、電流を流す能力は100倍となります。
これは何となくわかるでしょ?

>私の理解のなにが間違っているのでしょうか?
前出の通り。電気のことを水に置き換えて100%表せると思ってるのが間違いです。
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全然間違ってます。


内部抵抗という言葉はご存じですか?

Vは内部抵抗の電圧降下で相殺されるため
電池の両極の電位差はOVになります。

しかし、数式の解釈もムチャクチャだし、
人に教える段階ではないと思います。
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