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抵抗は電流の流れにくさ？
すみません。頭がこんがらがっています。 「電気を流す導線の種類によって、 電流の流れやすさが違う」 というのは理解できます。 そして、このときの電流の流れやすさ・流れにくさを 抵抗 と呼ぶのもわかります。 電気回路で、例えば豆電球が抵抗のはたらきをする。 というのはどういうことですか？ 豆電球のフィラメントの抵抗と 回路の導線の抵抗を比べると、 材質が違って、抵抗も違うということですか？ そもそも、直列に抵抗を接続しても、 電流の大きさは直列回路ならば どこでも一定であるはずなのに、 豆電球のせいで、電流が流れにくくなるとは どういうことでしょうか。 豆電球は何をしているのでしょうか。 オームの法則を使えば、 抵抗の大きさを求めることができますが、 その値が示しているものには どういう意味があるのでしょうか。 ばかな質問ですが、 どなたかよろしくお願いします。
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>オームの法則を使えば、 抵抗の大きさを求めることができますが、 その値が示しているものには 本当のところを言うと、抵抗とは何なのか 結論の出ていることじゃないんです。 ですから電流や電圧の関係を統一して 説明できるモデルは今のところありません。 そのため他の方の回答にも パチンコ玉とか水の流れの 例えなどいろいろ出てきているわけです。 電流という言葉が示すとおり、２００年以上 昔には、電気というのは水や空気のような 物体で、それが実際流れていると考えられて いたんです。中学校や高校でやる電気関係の 理論の殆どはこのころ作られたもので、電子が 粒としての性質を持っているとか、物質は 原子という粒の性質をもったものの集まり だなどという概念が認められるずっと前 の話です。 水や空気がガラスのビンに閉じ込められるので、 電気も同じようにビンに閉じ込めようとしたのが 「ライデン瓶の実験」というもので、今では この実験は、瓶の中に電荷がたまるという 説明で使われるのですが、ふたを開けなくても 電気が逃げてしまうので、電気が水や空気とは 違うのだとみんなが気づくきっかけになったんです。 ＞抵抗の大きさを求めることができますが、 その値が示しているものには 高校の物理の試験で点数がもらえそうな レベルの回答で言うとこんな感じです。 物質は原子と呼ばれる粒の集まりで、原子は プラスの電気を持った原子核と、マイナスの 電気を持った電子から成る。 原子核よりはるかに軽い電子は、自由に 動きまわろうとするが、プラスの電気を持った 原子核に引き寄せられているので、動きにくい 状態にある。この原子核から逃げられるだけの 運動エネルギーを持った電子を自由電子といい、 金属と呼ばれる物質にはこの自由電子が 沢山あり、自由電子の移動を電流という形で 電流計で測定できる。 しかし、原子核からの影響がゼロではないので、 原子核が持つプラスの電荷と電子が持つマイナスの電荷が 引き寄せられる効果で、電子の運動が妨害され 電子の動きにくさが★抵抗として測定できる。 一度に大量の電子が移動すると、その影響が 逆に原子核に伝わり、原子自体の振動が大きくなり その影響でさらに電子の運動が妨害される。 原子の振動というのは伝導熱として観測され、 伝導熱は放射熱という形で外部に放出される。 放射熱は電磁波で、これが目に見える可視光線の 領域にある場合、人間には光として見える。 超電導体と呼ばれる物質を除いては、 銅線でも鉄線でもどんなものにも 電気抵抗があります。それは先に説明した 原子核から電子の運動が受ける影響が ゼロではないからです。 （通常金属の抵抗は非常に小さいので 無視しますが） ＞電気回路で、例えば豆電球が抵抗のはたらきをする。 というのはどういうことですか？ もともと抵抗があり、フィラメントの材質 （多分タングステンという金属だと思いますが） の原子核が（電子の軌道の違いから）、電子の 運動により振動しやすく、可視光線（目に見える 光）領域で強い電磁波（光は目に見える電磁波です） の放射があるため、光って見えるんです。 原子の振動とは熱で、これが大きいと 電子の運動への妨害が大きくなるので、 熱を下げる、つまり振動を小さくしてやると 電気が流れやすくなります。（逆に 温度が上がれば電気が流れにくくなる） このため電線の温度を下げてやると 電気抵抗が下がります。 電流が流れると発光まで行かなくても かならす温度上昇があり、温度が上がると 抵抗が上がり、電流が減少します。 このことからもオームの法則というのは、 実際にはもっと複雑な現象からくる 複雑な傾向を近似しているだけで、 現象の本質を表していないことが わかると思います。
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- sak_sak
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#3です。 解決しているようですが、お礼が疑問形で書かれていたので…。 渋滞はできているんじゃないでしょうか。自由電子の速さは、電流の速さに比べ大変遅いですし。 ちょうど初詣がイメージとしていいと思います。 温度で抵抗が変化することもありますから、つきつけていくと、抵抗とは電流/電圧で求められる値という以外の意味はなくなってくると思います。
- guuman
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電流は水の流れに置き換えることができる 電球はボトルネック 電圧はホースの置かれている高さ
- ruto
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>その値が示しているものには どういう意味があるのでしょうか。 皆さん色々答えておられるので、この件だけお答えします。 電気回路において、電圧Eは電流Iに比例します。 式にすると E∽Iとなります。 また、比例定数をRとすれば E＝RIとなります。即ち、電気回路に於けるRは比例定数です。グラフで言えば傾きです。
- hitokotonusi
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＞廊下が狭くなると、一定時間に通過できる人数が減るといのは、 ＞電流が小さくなる、ということですよね。 豆電球の話でいうと、導線は非常に広い廊下、豆電球は狭い廊下です。で、この場合、廊下は水平ではなく傾いています(このかたむきが電圧にあたる)。 広い廊下はほぼ水平ですがわずかに下り坂なので、パチンコ玉を転がすとたくさんんのパチンコ玉が流れていきますが、速さはゆっくりです。 狭い廊下(豆電球)は傾きが急で、あまりたくさんのパチンコ玉は通過できませんが、非常に早く流れていきます。 結果、広い廊下も狭い廊下も「単位時間あたり」に流れるパチンコ玉の数は同じになります。これが電流に相当します。 以上が、豆電球の回路で電流が一定になる理由です。
お礼
広い廊下と狭い廊下では、 パチンコ玉の流れやすさは違うけれど、 結局は、 単位時間あたりに流れるパチンコの数は同じ！ わかった気がします。 ありがとうございました！ ばかでかい大きい口でもそもそ食べるのと、 小さい口でもしゃもしゃもしゃもしゃと食べるのと、 食べる速さが同じ！ ってなものですよね。 たぶん。
- sekisei
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こんばんは。 ＞飽きれずに・・・ いえいえ、納得のいくまで疑問を持ってください。 私も可能な範囲で力添えしたいと思います。 ＞何のために・・ 豆電球の場合はできるだけ効率よく電力を光に変換するためです。 豆電球を入れた回路の目的は光を作ることです。そのとき導線は単に豆電球に電流を流すための通路でしかないためそこで電力を消費する事はエネルギーの無駄でしかありません。 そのため導線は銅という抵抗の少なさと値段の安さを兼ねた銅線を使います。 そして豆電球のタングステン線は発熱により光を発生させるために耐熱性を持たせるためにタングステンが選ばれ、また効率よく光を発生させる（この場合できるだけ高温にするため）ために細くまたコイル状にすることで熱が逃げることを防いでいます。 これが銅線だと抵抗値が低いのであんまり光らない上にすぐに切れて使い物になりません。 ＞抵抗を大きくすると電圧が大きくなりますが・・ これは電流が同じ量流れる場合です。 効率を考えない場合はこれでいいのですが、効率を考えるとどうでもいいところで電力を消費してしまいます。 ここから理想的には欲しい所に抵抗があり欲しくないところには抵抗が無い方がいいとなります。 ＞電流が一定・・・人の流れは増すのではないですか？ 電流が一定であれば通路が狭くなっても電流（人の流れは一定）は一定で変化しません。 電圧が一定ならば廊下が狭くなれば電流は小さくなります。 電流が一定になるためには電圧が上がる必要があります。 ＞電流の大きさは、・・・ 勝手な解釈ですが、豆電球がある場合も無い場合も同一の電流が流れると言う解釈をされていますか？ それは違います。同一の電圧をかける場合は豆電球があるほうが電流が少なくなります。
お礼
二度にわたり、丁寧な解説をありがとうございました。 電圧が一定なら、 廊下が狭くなれば電流は小さくなる！ ということにピン！ときました。 抵抗がある＝電圧が大きい だから、電流を一定にできる。 これが大原則なんですね。たぶん。 抵抗があると電圧が大きくなるのはなぜか？ というのは、今は飲み込んで、 次に進みたいと思います。 ありがとうございました！
- sak_sak
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No.1の補足で書かれた例で言えば、抵抗というのは 「廊下に作られた障害物」です。例えば「人一人がやっと抜けられるような穴」でもいいです。 例えば、廊下を通過できる人数が1秒に3人として、その穴を通過できるのは1秒に1人としましょう。 たとえ廊下じゅうが人でいっぱいになろうと、穴を通過できる人数は決まっていますから、廊下全体としても1秒に1人しか通過できないことになりますね。 これで「電流はどこでも一定」というのをおわかりいただけたでしょうか。
お礼
人一人がやっと穴を抜け出て、 その後、順調に走り続ける小人が目に浮かびます。 穴の手前で、 渋滞ができるのではないのかしら？ とも思いましたが、 たぶん、 渋滞ができないように（量的に） うまく流れるようになっているのだろう。 と解釈しました。 ありがとうございました。
- 8942
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つまり、値の違う抵抗が直列につながっているのにそれぞれの抵抗に流れる電流値が同じなのが不思議という事でしょうか？ 例えば電源電圧が１０Ｖで ３Ωの抵抗と７Ωの抵抗が直列にされている 回路の場合、確かに抵抗値が違うのに同じ量の電流が流れます。 流れる電流量は１Ａ（アンペア）です。 何故か？ それは抵抗にかかる電圧がそれぞれ違うからです。 ３Ωの抵抗には３Ｖの電圧が、７Ωの抵抗には７Ｖの電圧がかかっています。ですから、それぞれの抵抗に流れる電流は ３Ｖ/３Ω＝１Ａ ７Ｖ/７Ω＝１Ａ となります。 そういう事を聞きたかったのでしょうか？ 参考になれば幸いです。
- sekisei
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こんばんは。 ＞豆電球のフィラメントの抵抗と・・・抵抗も違うということですか？ そうです。材質はタングステンなどで線の太さも細くてコイル状にしてあるなどで銅線より抵抗は高めになっていると思います。 ＞そもそも・・豆電球は何をしているのでしょうか。 これは豆電球があるときと無いときの回路に流れる電流を考えてもらえば、豆電球が入ることで電流が少なくなり流れにくくなったことが判ると思います。 もし、回路のどこでも電流が一定なことと抵抗が入ることで流れにくくなることのつながりがイメージできないのでしたら以下のようなイメージはどうでしょう。 なにもない長い廊下を人が通るのと、途中に細くなった部分（抵抗に相当）がある廊下を人が通る場合です。 この場合何も無い廊下に比べて途中に細い部分がある方は、その部分で人が通りづらくなり一定時間に通過できる人数が減ってしまいます。 この場合その細くなった部分（抵抗＝豆電球）のせいで流れにくくなったことがイメージできると思います。
補足
早速のお返事、ありがとうございます。 飽きれずに、 もう少しお付き合いしていただけると幸いですが、 何のために、抵抗を大きくするのですか？ 豆電球のフィラメントも 導線と同じ銅線でつくると 何か問題があるのでしょうか？ No.2さんの説明のように、 抵抗を大きくすると電圧が大きくなりますが、 けど、流れる電流は一定なんですよね。 意味なくないですか？ 廊下が狭くなると、 一定時間に通過できる人数が減るといのは、 電流が小さくなる、ということですよね。 電流が一定 ということは、 廊下が狭かろうが広かろうが、 一定時間に通過できる人数は一定である ということで、 廊下が狭くなったぶん、 人の流れは増すのではないですか？ 電流の大きさは、 導線の断面を1秒間に通過する電気量で定義されますよね。 一定時間に通過できる人数（電気量）が 減ってしまっては 「直列では電流は一定」に矛盾しませんか？
補足
！！ わかった気がします。 簡単に言ってしまえば、 抵抗＝原子の振動＝熱＝光 ということでしょうか。 豆電球は熱エネルギーを 光エネルギーに変えることができる。 ならば、抵抗を大きくしたい！ という意味がよくわかります。 なぜ、豆電球に電流が流れるのを わざわざ邪魔せねばならないのか、 さっぱりわかりませんでした。 原子の振動＝熱（温度） というのは 高校の物理で、 水を入れたペットボトルをひたすら振り続けて、 温度を5℃くらい上昇させる。 実験をしたことがあるので、 たぶん、そのことなんだと思いました。 そして、温度が低いと電流が流れにくくなる。 というのは、超伝導のことですね。 例え話は、やっぱり私には理解しにくかったです。 けれども、教科書や参考書でも この例が出ていて、困惑しているところでした。 ありがとうございました。