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理科 2年

電流でんりゅうと電圧でんあつ (回路かいろ・オームの法則ほうそく・直列ちょくれつ並列へいれつ・電力でんりょく)

最終確認日:

この章しょうで学まなぶこと

中なか 2 物理ぶつりの中心ちゅうしんは 電でん気き です。 中なか 1 では 「光ひかり・音おと・力ちから」 を学まなびましたが、 中なか 2 では 目めに見みえない電でん流りゅう を、 数すう式しきとグラフで扱あつかえるようになります。

  • 回路かいろ (直ちょく列れつ・並へい列れつ) の書かき方かたと読よみ方かたを身みにつける
  • 電流でんりゅう (A)・電圧でんあつ (V)・抵抗ていこう (Ω) の違ちがいを説せつ明めいできる
  • オームの法則オームのほうそく (V = I × R) を使つかって計算けいさんできる
  • 直列回路ちょくれつかいろと並列回路へいれつかいろ での電流でんりゅう・電圧でんあつ・抵抗ていこうの関かん係けいが言いえる
  • 電力でんりょく (W) と 電力量でんりょくりょう (Wh, J) の計算けいさんができる
  • 電流でんりゅう計けい・電圧でんあつ計けい のつなぎ方かたを守まもれる
  • 感電かんでん・短たん絡らく (ショート) の防止ぼうしルールを知しる

ポイント: 電でん流りゅうは目めに見みえないので、 「水すいの流ながれ」 に例たとえると分わかりやすい。 電でん流りゅう = 水みずの流ながれる量りょう、 電でん圧あつ = 水みずを押おし流ながす力りょく (高たかさ)、 抵抗ていこう = パイプの細ほそさ。 このアナロジーを使つかって全体ぜんたいをつかみましょう。

1. 電気でんきと回路かいろの基き本ほん

電でん気きとは

電でん気き (電でん流りゅう) は、 「− の電でん気きを持もつ電でん子しが動うごくこと」 です。 中なか 2 では 「電でん流りゅう」 として扱あつかいます。

回路かいろの基き本ほん

電でん流りゅうが流ながれる 「道みち筋すじ」 を 回路かいろ と呼よびます。 回路かいろが 1 つの輪わ (ループ) になっていないと、 電でん流りゅうは流ながれません。

部品ぶひん役やく割わり記き号ごう (回路かいろ図ず)
電でん源げん (電でん池ち・電でん源げん装そう置ち)電でん圧あつを与あたえる長ながい線せんが +、 短みじかい線せんが −
豆まめ電でん球きゅう・抵抗ていこう器き電でん気きを消しょう費ひする× 印しるしや長方ほう形けい
スイッチ流ながれを切きり替かえる開ひらく・閉
電でん流りゅう計電でん流りゅう (A) をはかる円えん + A
電でん圧あつ計電でん圧あつ (V) をはかる円えん + V
導どう線せん流ながれの道みち筋すじ直ちょく線せん

回路かいろ図ずの書かき方かたルール

ルール説せつ明めい
部品ぶひんを 記き号ごう で書かく写真しゃしんではなく統一とういつされた記き号ごうで
直ちょく線せん でつなぐ曲まげたり斜ななめにしたりしない
正せい方ほう形けいか長ちょう方ほう形けいの枠わく で囲かこむ全体ぜんたいを整理せいり
電でん源げんを左上ひだりうえか下しも に置おく慣例かんれい

直流ちょくりゅうと交流こうりゅう

タイプ説せつ明めい例れい
直流ちょくりゅう (DC)電でん流りゅうが一いっ方ぽう向こう乾いぬい電でん池ち・スマホのバッテリー
交流こうりゅう (AC)電でん流りゅうが周しゅう期き的てきに向むきを変かえる家か庭ていのコンセント (50/60 Hz)

中なか 2 で学まなぶのはほぼ 直ちょく流りゅう です。

大事だいじ: 回路かいろは 必かならず 1 つの輪わ になっていないと電でん流りゅうが流ながれない。 どこか 1 つでも切きれると電でん流りゅう = 0。 スイッチを開あければ、 それだけで電でん球きゅうが消きえるのはこのため。

2. 電流でんりゅうと電圧でんあつと抵抗ていこう

電流でんりゅう (A) とは

1 秒びょう間かんに流ながれる電でん気きの量りょう。 単たん位いは アンペア (A)。 1 A = 1000 mA (ミリアンペア)。

例れい流ながれる電でん流りゅう
LED ライト約やく 0.02 A (= 20 mA)
スマホ充じゅう電でん約やく 1 〜 2 A
ドライヤー約やく 10 A

電圧でんあつ (V) とは

電でん流りゅうを流ながそうとする力ちから。 単たん位いは ボルト (V)。 「水みずの高たかさ」 に相そう当とうします。

例れい電でん圧あつ
乾いぬい電でん池ち (1 本ほん)1.5 V
角かく型がた電でん池ち9 V
家か庭ていのコンセント100 V (日本にほん)
高圧こうあつ送電そうでん線せん何なん万まん V 以上いじょう

抵抗ていこう (Ω) とは

電でん流りゅうを妨さまたげる性せい質しつ。 単たん位いは オーム (Ω)。 「パイプの細ほそさ」 に相そう当とうします。

物質ぶっしつ抵抗ていこう
銅どう・アルミとても小ちいさい (= 良よい導どう体たい)
鉄てつ中なかくらい
ニクロム線せん大おおきい (発熱はつねつを利用りよう)
ガラス・ゴムとても大おおきい (= 絶縁ぜつえん体たい)

3 つの関かん係けい (水すいのアナロジー)

電でん気き水みず
電圧でんあつ (V)水みずの高たかさ・水すい圧あつ
電流でんりゅう (A)流ながれる水みずの量りょう (秒間びょうかん)
抵抗ていこう (Ω)パイプの細ほそさ
電でん源げんポンプ
抵抗ていこう器き細ほそいパイプや砂じゃ利り

ポイント: 電でん圧あつが大おおきいほど電でん流りゅうが流ながれる。 抵抗ていこうが大おおきいほど電でん流りゅうは流ながれにくい。 この関かん係けいが オームの法ほう則そく です。

3. オームの法ほう則そく

ドイツの オーム が 1827 年ねんに発はっ見けんした法ほう則そく。

電でん圧あつ (V) = 電でん流りゅう (I) × 抵抗ていこう (R)

公式こうしきの 3 形けい態たい

求もとめるもの公式こうしき
電でん圧あつ VV = I × R
電でん流りゅう II = V ÷ R
抵抗ていこう RR = V ÷ I

計算けいさんのれい

問題もんだい解とき方かた
電でん圧あつ 6 V、 抵抗ていこう 3 Ω → 電でん流りゅう?I = 6 ÷ 3 = 2 A
電でん流りゅう 0.5 A、 抵抗ていこう 20 Ω → 電でん圧あつ?V = 0.5 × 20 = 10 V
電でん圧あつ 12 V、 電でん流りゅう 0.4 A → 抵抗ていこう?R = 12 ÷ 0.4 = 30 Ω

グラフで見みるオームの法ほう則そく

電でん圧あつ V を横よこ軸じく、 電でん流りゅう I を縦たて軸じくに取とると、 抵抗ていこうが一定いっていの物ぶっ質しつ (オームの法ほう則そくに従したがう物ぶっ質しつ) では 直線ちょくせん になります。

抵抗ていこう Rグラフの傾きかたむき
小ちいさい (R = 5 Ω)急きゅう (V を少すこし上あげるだけで I が大おおきく増ふえる)
大おおきい (R = 50 Ω)ゆるやか (V を大おおきく上あげても I はあまり増ふえない)

大事だいじ: オームの法ほう則そくは 「直線ちょくせん関かん係けい」。 電球でんきゅうのフィラメントのように高こう温おんで抵抗ていこうが変かわる物体ぶったいでは、 グラフが曲きょく線せんになります (発展はってん内容ないよう)。

4. 直列ちょくれつ回路かいろと並列へいれつ回路かいろ

直列ちょくれつ回路かいろ

部品ぶひんを 1 列れつにつなぐ 回路かいろ。

量りょうルール
電でん流りゅうどこでも 同おなじ (I = I₁ = I₂)
電でん圧あつ足たし算ざん (V = V₁ + V₂)
抵抗ていこう足たし算ざん (R = R₁ + R₂)

並列へいれつ回路かいろ

部品ぶひんを 枝分えだわかれさせてつなぐ 回路かいろ。

量りょうルール
電でん流りゅう足たし算ざん (I = I₁ + I₂)
電でん圧あつどこでも 同おなじ (V = V₁ = V₂)
抵抗ていこう「逆数ぎゃくすうの和わ」 (1/R = 1/R₁ + 1/R₂)、 全体ぜんたいでは 1 つの抵抗ていこうより 小ちいさく なる

直列ちょくれつと並列へいれつの比較ひかく表ひょう

観点かんてん直列ちょくれつ並列へいれつ
つなぎ方かた1 列れつ枝分えだわかれ
電流でんりゅう同おなじ足たし算ざん
電圧でんあつ足たし算ざん同おなじ
抵抗ていこう足たし算ざん1 つより小ちいさい
1 つこわれたら全部ぜんぶ消きえる他たは動うごく
例れい古ふるい豆まめ電でん球きゅうの飾かざり、 ヒューズ家か庭ていのコンセント

計算けいさんのれい (直列ちょくれつ)

「3 Ω と 6 Ω を直列ちょくれつ、 全体ぜんたいに 9 V」

ステップ計算けいさん
全体ぜんたいの抵抗ていこうR = 3 + 6 = 9 Ω
流ながれる電でん流りゅうI = 9 ÷ 9 = 1 A
各かく抵抗ていこうの電でん圧あつV₁ = 1 × 3 = 3 V、 V₂ = 1 × 6 = 6 V
確認かくにんV₁ + V₂ = 9 V ✓

計算けいさんのれい (並列へいれつ)

「3 Ω と 6 Ω を並列へいれつ、 全体ぜんたいに 6 V」

ステップ計算けいさん
各かく抵抗ていこうを流ながれる電でん流りゅうI₁ = 6 ÷ 3 = 2 A、 I₂ = 6 ÷ 6 = 1 A
全体ぜんたいの電でん流りゅうI = I₁ + I₂ = 3 A
全体ぜんたいの抵抗ていこうR = 6 ÷ 3 = 2 Ω (3 と 6 より小ちいさい)

ポイント: 直列ちょくれつ = 「電でん流りゅうが同おなじ」、 並列へいれつ = 「電でん圧あつが同おなじ」 を出しゅっ発ぱつ点に考かんがえると迷まよわない。 抵抗ていこうの計算けいさんはそこから導みちびきます。

5. 電力でんりょくと電力でんりょく量りょう

電力でんりょく (W) とは

1 秒びょう間かんに消しょう費ひする電でん気きの量りょう。 単たん位いは ワット (W)。

電力でんりょく (W) = 電圧でんあつ (V) × 電流でんりゅう (A)

公式こうしきの変形へんけい

求もとめるもの公式こうしき
電力でんりょく PP = V × I
電力でんりょく P (オームの法ほう則そくと組み合わせくみあわせ)P = V² ÷ R = P = I² × R

例れい

機器きき電でん圧あつ電でん流りゅう電力でんりょく
LED 電球でんきゅう100 V0.05 A5 W
スマホ充じゅう電でん5 V2 A10 W
ドライヤー100 V12 A1200 W
電でん気きポット100 V12 A1200 W
エアコン100 V10 A1000 W

電力でんりょく量りょう (Wh, J) とは

全体ぜんたいで使つかった電でん気きの量りょう = 電力でんりょく × 時じ間かん。

単たん位い説せつ明めい
ワット秒びょう (J、 ジュール)W × 秒びょう、 1 秒びょう間かんに 1 W で 1 J
ワット時じ (Wh)W × 時じ間かん、 1 時じ間かんに 1 W で 1 Wh = 3600 J
キロワット時じ (kWh)1000 Wh、 電でん気き代だいの単たん位い

計算けいさんのれい

「1200 W のドライヤーを 5 分ぶん (= 1/12 時じ間かん) 使つかうと」

ステップ計算けいさん
電力でんりょく量りょう (Wh)1200 × (1/12) = 100 Wh
電力でんりょく量りょう (kWh)0.1 kWh
電でん気き代だい (約やく 30 円えん/kWh)0.1 × 30 = 約やく 3 円えん

熱量ねつりょうとしての計算けいさん

電力でんりょく (W) で動うごく抵抗ていこう器きが出だす 熱ねつ はジュール数すうで表あらわせます。

熱量ねつりょう Q (J) = 電力でんりょく P (W) × 時じ間かん t (秒びょう)

例れい計算けいさん
100 W の電でん気きストーブを 1 分ぶん (60 秒びょう)100 × 60 = 6000 J
1000 W の電でん気きポットを 5 分ぶん (300 秒びょう)1000 × 300 = 300,000 J

大事だいじ: 「電力でんりょく (W) は力ちからの強つよさ、 電力でんりょく量りょう (Wh) は全部ぜんぶで使つかった量りょう」。 ドライヤー (1200 W) は一瞬いっしゅんで大おおきな電でん気きを消しょう費ひするが、 短みじか時じ間かんで終おわるので 1 か月げつの電でん気き代だいはそれほど大おおきくない。 24 時じ間かんつけっぱなしのエアコンや冷蔵庫れいぞうこの方ほうが高たかくなる。

6. 電流でんりゅう計けいと電圧でんあつ計けい

つなぎ方かたの基き本ほん

計器けいきつなぎ方かた理り由ゆう
電でん流りゅう計直ちょく列れつ につなぐ流ながれる量りょうをそのままはかる
電でん圧あつ計並へい列れつ につなぐ部品ぶひんの両りょう端たんの差さをはかる

端たん子しの選えらび方かた

電でん流りゅう計と電でん圧あつ計には 複数ふくすうの端たん子し があります (5 A・500 mA・50 mA など)。

手て順じゅんやること
①最大さいだいの端たん子しからつなぐ (5 A なら 5 A 端たん子し)
②針はりが振ふれた量りょうを見みて、 必ひつ要ようなら小ちいさい端たん子しに切きり替かえる
③針はりの位い置ちと端たん子しに合あった目盛もりを読よむ

注ちゅう意い点てん

ルールやってはいけないこと
電でん流りゅう計を並列へいれつにつながない大だい電でん流りゅうが一気いっきに流ながれてこわれる
電でん源げんに直接ちょくせつつながない必かならず部品ぶひんを挟はさんでから電でん源げんへ
+ と − をまちがえない針はりが逆ぎゃくに振ふれる、 こわれる原因げんいん
小ちいさい端たん子しから始はじめない大だい電でん流りゅうが来くると振ふり切きれてこわれる

目盛もりの読よみ方かた

端たん子し目盛もりの最大さいだい値ち
5 A5
500 mA500 (mA で読よむ)
50 mA50 (mA で読よむ)

ポイント: 端たん子しの数すう字じと目盛もりの数すう字じが一いっ致ちするとは限かぎらない (15・150 という目盛めもりを、 5 A 端たん子しなら 5 と読よむ等とう)。 必かならず 「どの端たん子しを使つかっているか」 を確たしかめてから読よみます。

7. 安全あんぜん — 感電かんでん ・ 短たん絡らく注ちゅう意い

電でん気きの実じっ験けんでは、 感電かんでん・ショート (短たん絡らく)・発はっ火か の 3 つに注ちゅう意いが必ひつ要ようです。

感電かんでん防止ぼうしの基き本ほん

ルール理り由ゆう
電でん源げんを切きってから配はい線せんする通電つうでん中ちゅうに触さわると感電かんでん
ぬれた手てで触さわらない水みずは電でん気きを通とおす → 感電かんでん
コンセントの 100 V を直接ちょくせつ使つかわない学校がっこうの実じっ験けんは必かならず電でん源げん装そう置ち (低ひく電でん圧あつ) で
金きん属ぞく製せいのアクセサリーを外はずす不意ふいに回路かいろに触ふれてショート

ショート (短たん絡らく) の防止ぼうし

ショート とは、 電でん源げんの + と − を 抵抗ていこうを通とおさずに直接ちょくせつつなぐ こと。 大だい電でん流りゅうが一気いっきに流ながれ、 導どう線せんが焼やけ切きれたり火災かさいの原因げんいんになったりします。

防止ぼうし方法ほうほう説せつ明めい
必かならず 抵抗ていこう (豆まめ電でん球きゅう・抵抗ていこう器き等とう) を入いれる電でん流りゅうを制せい限げん
配はい線せんをよく確認かくにん してから電でん源げんを入いれる金かね属ぞくが別べつの場所ばしょに触ふれていないか
裸はだか線せんをつながない必かならずビニル被ひ覆ふくの導どう線せん
電でん源げん装そう置ちの電でん圧あつを 0 から上あげる急きゅうに高こう電でん圧あつにしない

発火はっか ・ 焼損しょうそんの防止ぼうし

場面ばめん注ちゅう意い
抵抗ていこう器きが熱あつくなる触さわらない、 長ちょう時じ間かん通電つうでんしない
ニクロム線せん (発熱はつねつ用よう)紙かみや布ぬのに近ちかづけない、 周まわりを片付づける
電でん源げん装そう置ちの過か電でん流りゅうヒューズが飛とぶ → 必かならず先せん生せいに報ほう告こく

事じ故こが起おきたとき

場面ばめんやること
感電かんでんしたすぐに電でん源げんを切きる → その後ごで救きゅう助じょ、 先せん生せいに報ほう告こく
焼やけ切きれた線せん触さわらない (高温こうおん)、 電でん源げんを切きってから先せん生せいに報ほう告こく
火ひが出でた水すいはかけない (感電かんでんの危き険けん)、 電でん源げんを切きり、 乾かん燥そう砂や消しょう火か器きで消けす

大事だいじ: 電でん気きの事じ故こは 音おんや匂におい で気きづくことが多おおい (パチッという音おと、 焦こげた匂におい)。 異い常じょうを感かんじたら すぐに電でん源げんを切きり、 触さわらずに先せん生せいに報ほう告こくします。 ぬれた手てで触さわらないことも必かならず守まもる。

電池と抵抗を直列につないだ回路図
オームの法則オームのほうそく の回路かいろ — 電圧でんあつ V = 電流でんりゅう I × 抵抗ていこう R。 電源でんげん (V) と抵抗ていこう (R) をつないだ基本きほん回路かいろ。
様々な大きさの乾電池
乾電池かんでんち — 化学かがく反応はんのうで電圧でんあつを作つくり出だす電源でんげん。 単たん 1 〜 単たん 4 など。 1 本ほんの起電力きでんりょくは約やく 1.5 V。

まとめ

  • 回路かいろ は 1 つの輪わ でないと電でん流りゅうが流ながれない
  • 電流でんりゅう (A) = 流ながれる量りょう、 電圧でんあつ (V) = 流ながそうとする力ちから、 抵抗ていこう (Ω) = 流ながれを妨さまたげる性せい質しつ
  • オームの法則オームのほうそく: V = I × R。 1 つ分わかれば残のこり 2 つも計算けいさんできる
  • 直列回路ちょくれつかいろ: 電でん流りゅう同おなじ・電でん圧あつ足たし算ざん・抵抗ていこう足たし算ざん
  • 並列回路へいれつかいろ: 電でん圧あつ同おなじ・電でん流りゅう足たし算ざん・全ぜん抵抗ていこうは各かく抵抗ていこうより小ちいさい
  • 電力でんりょく (W) = V × I、 電力量でんりょくりょう (Wh, J) = 電力でんりょく × 時じ間かん
  • 電でん流りゅう計 = 直列ちょくれつ、 電でん圧あつ計 = 並列へいれつ。 大おおきい端たん子しからつなぐ
  • 安全あんぜん: 感電かんでん・ショート・発はっ火か に注ちゅう意い。 電でん源げんを切きってから配はい線せん、 ぬれた手て厳げん禁きん

次の章しょうでは、 この電でん流りゅうが 磁じ界かい とどうかかわるか (電磁でんじ誘導ゆうどう・モーター) を学まなびます。

まとめ — 電流でんりゅうと電圧でんあつを 3 行くだりで

  • 電流でんりゅう (A) ・電圧でんあつ (V) ・抵抗ていこう (Ω) はオームの法則オームのほうそく V=I×RV = I \times R で結むすばれ、 1 つわかれば残のこり 2 つも計算けいさんできる
  • 直列回路ちょくれつかいろは電流でんりゅうが同おなじで電圧でんあつと抵抗ていこうは足たし算ざん、 並列回路へいれつかいろは電圧でんあつが同おなじで電流でんりゅうは足たし算ざん・全ぜん抵抗ていこうは各かく抵抗ていこうより小ちいさい
  • 電力でんりょく (W) = V×IV \times I、 電力量でんりょくりょう (Wh, J) = 電力でんりょく × 時間じかんで、 電流でんりゅう計けいは直列ちょくれつ・電圧でんあつ計けいは並列へいれつにつなぐのが配線はいせんの基本きほんである
この教材きょうざいは役やくに立たちましたか?
学がく習しゅうロードマップ(10件けん)
  1. 1中なか 2 理科りかをはじめよう (化学かがく変化へんかと物理ぶつり変化へんか・探究たんきゅうの方法ほうほう)
  2. 2物質ぶっしつの成なり立たち (原子げんし・分子ぶんし・元素げんそ記号きごう・化学かがく式しき)
  3. 3化学かがく変化へんか (酸化さんか・還元かんげん・分解ぶんかい・化合かごう・質量しつりょう保存ほぞんの法則ほうそく)
  4. 4化学かがく変化へんかと熱ねつ (発熱はつねつ反応はんのう・吸熱ねつ反応はんのう・鉄てつの燃焼ねんしょう)
  5. 5電流でんりゅうと電圧でんあつ (回路かいろ・オームの法則ほうそく・直列ちょくれつ並列へいれつ・電力でんりょく)
  6. 6電流でんりゅうのはたらき
  7. 7動物どうぶつの体からだのつくりとはたらき
  8. 8動物どうぶつの分類ぶんるいと進化しんか
  9. 9気象きしょう観測かんそくと大気たいき
  10. 10天気てんきの変化へんか