電流と回路の問題
起電力 の電池 、起電力 の電池 、抵抗値 の抵抗 、抵抗値 の抵抗 を、次の順に導線でつないで 1 つの閉回路をつくった。
の正極 の正極、 の負極 の負極
電池の内部抵抗と導線の抵抗は無視できるものとする。回路を流れる電流の大きさは何 A か。有効数字 2 桁で求めよ。
この問題で使うもの
- キルヒホッフの法則(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(11 技能)
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ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
閉回路が 1 つなので電流はどこでも同じ。電流の向きを仮定して、キルヒホッフの第 2 法則を使おう。
ヒント 2
一周する向きに電池を負極から正極へ通れば起電力は 、正極から負極へ通れば として足し合わせる。
ヒント 3
起電力の和は 、電圧降下の和は 。
答えと解説
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解説を読む
閉回路は 1 つなので、回路を流れる電流はどこでも同じである。電流を、 の正極から へ向かう向きを正として とおく。
回路をこの向きに一周すると、 は負極から正極へ通るので起電力 、 は正極から負極へ通るので起電力 となる。キルヒホッフの第 2 法則(起電力の和 = 電圧降下の和)より
なので、電流は仮定した向き( の正極から へ向かう向き)に流れ、その大きさは である。
2 つの電池は、電流を互いに逆向きに流そうとする向きにつながっているので、起電力が差し引きされることに注意する。
別解
回路は の正極 → → の正極 … の負極 → → の負極 の順につながっている。 の正極から出た電流は を通って の正極に入るので、 は とは逆向きの起電力をもつ( は充電される向き)。したがって正味の起電力は 。抵抗の合計は なので、キルヒホッフの第 2 法則 より 。
検算: の電圧降下 、 の電圧降下 の合計は で、正味の起電力と一致する。有効数字 2 桁で 1.5 A。