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物理

電場でんば電流でんりゅう

最終確認日:

このしょうまなぶこと

だい 8 しょうでは、 静電気せいでんきでんりゅう数式すうしきあつかいます。 中学ちゅうがくまなんだ 「でんりゅうながれる」 を 電子でんしなが としてとらえなおし、 電場でんば電位でんいコンデンサーこんでんさー直流回路ちょくりゅうかいろまなびます。

  • クーロンの法則くーろんのほうそく静電気せいでんきりょく計算けいさんできる
  • 電場でんば E と 電位でんい V の関係かんけいかいする
  • コンデンサーこんでんさー電気容量でんきようりょう静電エネルギーせいでんえねるぎー計算けいさんできる
  • オームのほうそく V = IR、 ていこうちょく並列へいれつ計算けいさんできる
  • ジュール熱じゅーるねつ P = I²R を使つかえる
  • キルヒホッフの法則きるひほっふのほうそく複雑ふくざつ直流回路ちょくりゅうかいろける

ポイント: 中学ちゅうがくで 「でんりゅう = +(プラス) から −(マイナス) へながれる」 とまなんだが、 高校こうこうでは でんりゅう正体しょうたい = 電子でんし (マイナス) がぎゃくきにうごまなびます。 電子でんしどうほうこうでんりゅうとはぎゃくです。

1. 静電気せいでんきとクーロンの法則ほうそく

電荷でんか

物質ぶっしつをこすると + や − の 電荷でんかあらわれます。 電子でんし (− の電荷でんか) がどうすることにより、 ものが + に帯電たいでんしたり − に帯電たいでんしたりします。 1 電子でんし電荷でんかりょう (の絶対ぜったい) を 電気素量でんきそりょう e とびます。

りょうあたいたん
電気素量でんきそりょう e1.6 × 10⁻¹⁹C (クーロン)
1 C のでんやく 6.25 × 10¹⁸ 電子でんし

クーロンの法則ほうそく

2 つの点電荷でんかにはたらくちからは、 電荷でんかせき比例ひれいし、 きょの 2 じょう反比例はんぴれいします。

かんけいしきせつめい
F = k × q1 × q2 / r²クーロンのほうそく
k ≈ 9.0 × 10⁹ N·m²/C²真空しんくうちゅうクーロン定数クーロンていすう

q1, q2 がどう符号ふごう (両方りょうほう + または両方りょうほう −) ならはんぱつ力、 符号ふごうなら引力いんりょくがはたらきます。

例題れいだい 1

電荷でんか q1 = +2.0 × 10⁻⁶ C と q2 = +3.0 × 10⁻⁶ C がきょ r = 0.30 m はなれているとき、 たがいにはたらくちからもとめよ。

かい: F = 9.0 × 10⁹ × (2.0 × 10⁻⁶) × (3.0 × 10⁻⁶) / (0.30)² = 9.0 × 10⁹ × 6.0 × 10⁻¹² / 0.09 = 0.6 N (反発はんぱつりょく)

2. 電場でんば電位でんい

正電荷と負電荷を結ぶ曲線群で表される電気力線の図
電気力線でんきりょくせん電場でんばきとつよさを視覚しかくしたもの。 せい電荷でんかから電荷でんかはいる。 せんつどたかいほど電場でんばつよく、 せん接線せっせん電場でんば向きむきあらわす。

電場でんば

電荷でんかまわりには 電場でんば (electric field) ができ、 そのなかべつ電荷でんかくとちからけます。

かんけいしきせつめい
E = F / q電場でんば定義ていぎ (単位たんい電荷でんかあたりのちから)
E = k × Q / r²てん電荷でんか Q がきょ r につく電場でんば
F = q × E電場でんば E のなか電荷でんか q がける力

電場でんばたんは N/C または V/m。 きは + の電荷でんかけるちからきと一致いっちします。

電位でんい

電位でんい V は 単位たんい電荷でんかあたりの位置エネルギーいちえねるぎー で、 たんは V (ボルト) = J/C。

かんけいしきせつめい
V = k × Q / rてん電荷でんか Q がきょ r につく電位でんい
U = q × V電荷でんか q が電位でんい V のてん位置エネルギーいちえねるぎー
V = E × d (いちよう電場でんば)電位差でんいさ = 電場でんば × きょ

ポイント: 電場でんばベクトル (きがある)、 電位でんいスカラー (きがない、 数値すうちのみ)。 きやすさで使つかけます。

3. コンデンサー

2 枚の平行な金属板と、 その間に一様な電場が形成されるコンデンサの模式図
平行板コンデンサへいこうばんコンデンサ。 2 まいきょく板に反対はんたい符号ふごう電荷でんかたくわえ、 きょくかん一様いちよう電場でんば をつくる。 電気でんき容量ようりょう C = εS/d (S: きょくいた面積めんせき、 d: いた間隔かんかく)。

コンデンサーこんでんさーは 2 まい金属板きんぞくいた (ごくいた) のぜつえんたいはさんだで、 電荷でんかを蓄ちくせきできます。

電気でんき容量ようりょう

かんけいしきせつめい
Q = C × V蓄積ちくせき電荷でんか = 電気容量でんきようりょう × 電圧でんあつ
C = ε × S / d平行へいこうばんコンデンサーこんでんさー容量ようりょう (S: 極ばん面積めんせき、 d: ごく板間いたのまかく、 ε: 誘電率ゆうでんりつ)

せいでんエネルギー

コンデンサーこんでんさーたくわえられるエネルギー:

かんけいしきせつめい
U = (1/2) × C × V²容量ようりょう C と電圧でんあつ V であらわ
U = Q × V / 2電荷でんか Q と電圧でんあつ V であらわ
U = Q² / (2C)電荷でんか Q と容量ようりょう C であらわ

コンデンサーの接続せつぞく

せつぞくごうせいようりょう
並列へいれつ接続せつぞくC = C1 + C2 + ... (抵抗ていこう直列ちょくれつおなかたち)
直列ちょくれつ接続せつぞく1/C = 1/C1 + 1/C2 + ... (抵抗ていこう並列へいれつおなかたち)

ポイント: コンデンサーこんでんさー抵抗ていこうちょく並列へいれつこうしきぎゃく になるのでちゅう (抵抗ていこう直列ちょくれつ = 容量ようりょう並列へいれつおなかたち)。

4. オームの法則ほうそく抵抗ていこう

オームの法則ほうそく

抵抗ていこう R の導体どうたい電圧でんあつ V をかけると、 ながれるでんりゅう I は:

かんけいしきせつめい
V = I × Rオームのほうそく
R = ρ × L / S抵抗率ていこうりつ ρ、 ながさ L、 断面だんめんつむ S の抵抗ていこう

抵抗ていこうちょく並列へいれつ

せつぞくごうせい抵抗ていこう
直列ちょくれつ接続せつぞくR = R1 + R2 + ...
並列へいれつ接続せつぞく1/R = 1/R1 + 1/R2 + ...

例題れいだい 2

10 Ω と 30 Ω の抵抗ていこう並列へいれつせつぞくしたときの合成ごうせい抵抗ていこう R をもとめよ。

かい: 1/R = 1/10 + 1/30 = 3/30 + 1/30 = 4/30 R = 30/4 = 7.5 Ω

5. 電力でんりょくとジュールねつ

でんがするごとはやさ (電力でんりょく) と、 抵抗ていこう発生はっせいするねつ (ジュール熱じゅーるねつ) をもとめます。

かんけいしきせつめい
P = V × I電力でんりょく (単位たんい: W ワット)
P = I² × R抵抗ていこう電流でんりゅうあらわ
P = V² / R抵抗ていこう電圧でんあつあらわ
Q = P × t = I² × R × tジュール熱じゅーるねつ (単位たんい: J ジュール)

例題れいだい 3

100 V のでんげんに 50 Ω の抵抗ていこうをつなぐ。 電力でんりょくと 1 分間ふんかんジュール熱じゅーるねつもとめよ。

かい: I = V/R = 100/50 = 2.0 A P = V × I = 100 × 2.0 = 200 W Q = P × t = 200 × 60 = 12000 J = 12 kJ

6. キルヒホッフの法則ほうそく

複雑ふくざつ回路かいろくための 2 つのほうそくです。

だい 1 法則ほうそく (電流でんりゅう法則ほうそく)

回路かいろ任意にんい接続せつぞくてん で、 ながでんりゅう = ながでんりゅう

れいしき
接続せつぞくてん P に I1, I2 が流入りゅうにゅう、 I3 が流出りゅうしゅつI1 + I2 = I3

だい 2 法則ほうそく (電圧でんあつ法則ほうそく)

回路かいろ任意にんい閉路へいろ一周いっしゅうすると、 起電力きでんりょく = 電圧でんあつ降下こうか

れいしき
起電きでんりょく E、 抵抗ていこう R1, R2 を直列ちょくれつ一周いっしゅうE = I × R1 + I × R2

かた手順てじゅん

  1. かくえだでんりゅう文字もじ (I1, I2, ...) をき、 かりきをめる
  2. かく接続せつぞくてんだい 1 ほうそくてる
  3. かく閉路へいろだい 2 ほうそくてる (起電力きでんりょく電圧でんあつ降下こうか符号ふごうちゅう)
  4. 連立れんりつかたてい式をく (になったら仮定かていぎゃくき)

ポイント: 電池でんち内部ないぶ抵抗ていこう r があると、 端子たんし電圧でんあつは V = E − I × r になります (E: 起電力きでんりょく)。 内部ないぶ抵抗ていこう無視むしできるあいのみ V = E とします。

7. しょうまつまとめと安全あんぜん配慮はいりょ

このしょうまなんだこと

  • 電気素量でんきそりょう e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C、 クーロンの法則くーろんのほうそく F = kq1q2/r²
  • 電場でんば E (ベクトル) と電位でんい V (スカラー)、 V = E × d
  • コンデンサーこんでんさー Q = CV、 せいでんエネルギー U = (1/2)CV²
  • 並列へいれつ容量ようりょうぞう直列ちょくれつ容量ようりょうげん (抵抗ていこうぎゃく)
  • オームのほうそく V = IR、 直列ちょくれつ R = R1+R2、 並列へいれつ 1/R = 1/R1+1/R2
  • 電力でんりょく P = VI = I²R = V²/R、 ジュール熱じゅーるねつ Q = Pt
  • キルヒホッフの法則きるひほっふのほうそく (電流でんりゅう法則ほうそく + 電圧でんあつ法則ほうそく) で複雑ふくざつ回路かいろ解析かいせき

安全あんぜん配慮はいりょこう電圧でんあつ感電かんでん

でんじっけんでは 感電かんでん短絡たんらく火災かさいおもけんです。 100 V 以上いじょうあつかうときはとくにちゅう

機材きざい場面ばめんけんたいさく
コンデンサーこんでんさー (だい容量ようりょう) のじゅうでん充電じゅうでん感電かんでん (コンデンサーこんでんさー電源でんげんっても電荷でんか保持ほじ)使用しよう前後ぜんご放電ほうでん (抵抗ていこう短絡たんらく)、 端子たんし直接ちょくせつさわらない
直流ちょくりゅうだか電圧でんあつ電源でんげん100 V 以上いじょう心室細動しんしつさいどうけんでんげんってから配線はいせん、 ぬれたさわらない
抵抗ていこう発熱はつねつ過大かだい電流でんりゅう発火はっか、 やけどていかく電力でんりょくえない、 さわらない (あつい)
配線はいせん短絡たんらく (ショート)だい電流でんりゅう配線はいせん融解ゆうかい火災かさい+ と − を直接ちょくせつつながない、 ヒューズを使つか

ちょんしょう共通きょうつうルール

  • かならでんげんってから配線はいせん変更へんこうする
  • ぬれたでん機器ききさわらない
  • コンデンサーこんでんさー使用しようかなら放電ほうでんする
  • 異常いじょう (くさい・けむり) をかんじたらそくでんげん

しょう: だい 9 しょうでは 磁場じば電磁誘導でんじゆうどうまなびます。 でんりゅうつくでんりゅうあたえるちから (フレミング左手ひだりて)、 ファラデーの電磁誘導でんじゆうどう交流こうりゅうなど、 発電はつでん・モーターのげんまなびます。

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