インピーダンスの図解的理解法

質問

LC回路のインピーダンスの概念を中学生程度の理科の知識を持つ人に分かってもらえるような
図解的な説明法を求めています。

http://bit.ly/1hicaBH
このような回路を、添付画像のように、一目で見ただけで本質を理解することができるような
模式図で表現可能でしょうか？

http://blog-imgs-47.fc2.com/i/m/a/imasaracmosanalog/ele2_1.jpg
これほどまでに簡略化する必要はありません

よろしくご指導のほどをお願いします。

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回答No.3

tadys · ベストアンサー

インピーダンスについて一目で理解できるような図を作るのは困難でしょう。
LやCは電圧・電流が変化しているときに意味を持ってくるので静止画では十分な表現が出来ません。

LやCの本質はエネルギーを蓄積したり放出したりする所に有ります。
Lには磁場のエネルギーが蓄積され、Cには電場のエネルギーが蓄積されます。
LC回路には共振と言う現象が発生しますが、これはLとCの間でエネルギーのやり取りが発生して変化が継続することによります。

共振現象は力学系でも発生します。
一番わかり易いのは振り子でしょう。
振り子は重りの位置エネルギーと運動エネルギーの間のやり取りで共振が発生します。
位置エネルギーはCに相当し、運動エネルギーはLに相当します。

LC回路を水の場合に当てはめるとすればLは長いチューブ、Cは水槽に、Rは絞りに相当します。
二つの水槽を適当な長さのチューブで結ぶことでLC回路の共振に相当する実験をすることが出来ます。
水槽の一つの高さを固定し他方の水槽はある範囲で上下できるようにします。
水槽に適量の水を入れて片方の水槽を周期的に上下すれば他方の水槽の水面も上下します。
周期を適切に設定すれば水面が上下する高さを水槽の上下する高さより大きくすることが出来ます。
チューブの長さや太さ、水槽の底面積などを変えることで共振周波数が変化することが観察できるでしょう。
水槽としては炭酸飲料のペットボトルの底を切り取ったものが使用できるでしょう。

電気の流れを水の流れで示す方法には大きな欠点があります。
それは電線の中を電子が移動する速さは数mm／秒程度と驚くほど遅く、電子の移動が電気エネルギーを運んでいるのではないと言うことです。
http://djweb.jp/power/physics/physics_01.html
水の流れにこだわりすぎると本格的に電気現象（電磁気学）を学ぶときに邪魔になってしまいます。

回答No.2

Tann3

その前に、質問者さん自身が「交流」について正しく理解されていますか？

　「直流」は静的で定常的な図示ができ、理解も比較的簡単です。

　「交流」は、常に「時間変化」を動的に扱わないといけません。一瞬たりとも定常的に静止している状態がないからです。唯一定常的に示せるのは振動数一定の状態ですが、それを「実効値」表示で理解するのは「交流」の本質が分かってからであって、それ自体から「交流」を理解するのは難しいと思います。

　一番良いのは、質問者さんが、ご自分で「交流」を理解したプロセスに沿って、時間の推移に伴う「動き」を紙芝居的に説明することです。
　おそらく、交流を「正弦波」のように説明しても、中学席にはピンと来ないと思います。「直流のスイッチ入り切り」で説明してみてはいかがでしょうか。
　質問で図示された回路に、「直流」を「スイッチ入」にしたときの時間変化、定常状態から「スイッチ切」したときの時間変化から始めるのがよいかもしれません。
　コイルにはどう流れるか、コンデンサーにはどう流れるかという風に、一つ一つ分解して。１つで全部を説明しよう、というのは、多分無理でしょう。

http://www.wakariyasui.sakura.ne.jp/b2/64/6421jikoyuudou.html
http://www.wakariyasui.sakura.ne.jp/b2/61/6151konndenn.html

↓　これがうまく説明できますか？
http://www.wakariyasui.sakura.ne.jp/1-3-0-0/1-3-1-1kouryuuhatudennki.html

回答No.1

shintaro-2

>このような回路を、添付画像のように、一目で見ただけで本質を理解することができるような
>模式図で表現可能でしょうか？

電圧と電流の位相がずれてくるため無理でしょう
そもそも”本質”が何かという問題もありますし。

どうしても図示したいのなら
電源が交流ですから、動画にする必要があるのでは？

インピーダンスが周波数依存であることを説明したいのか、
電流と電圧の位相がずれることを説明したいのかでも図が違うと思います。