長さ 、断面積 の一様なニクロム線がある。ニクロムの抵抗率を とする。このニクロム線の抵抗値は何 か。有効数字 2 桁で求めよ。
抵抗率
を使い、導線の長さ・断面積・抵抗率から抵抗値を求められる。体積一定で引きのばしたときの抵抗値の変化(長さ 倍で抵抗 倍)も求められる
前提
- オームの法則と合成抵抗 (高校物理 電流と回路)
この技能までの道筋(8 技能)
読み込み中…
右端(太枠)がこの技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。
一覧で見る(前提が先)
- 力の種類とはたらき (中学理科 物理分野の用語と知識)
- 静電気・放電と電子 (中学理科 物理分野の用語と知識)
- 帯電と電気量保存の法則 (高校物理 電場と電位・コンデンサー(知識))
- クーロンの法則と電場・電気力線 (高校物理 電場と電位・コンデンサー(知識))
- 電流の正体と電流の向き (高校物理 電流と回路(知識))
- オームの法則と抵抗率 (高校物理 電流と回路(知識))
- 抵抗の直列接続・並列接続 (高校物理 電流と回路(知識))
- オームの法則と合成抵抗 (高校物理 電流と回路)
説明
抵抗率を使うと、導線の材質・長さ・太さから、その導線の抵抗値を計算できます。抵抗値は で求めます。ここで は長さ、 は断面積、 は抵抗率です。電熱線の抵抗を見積もるときや、導線を引きのばしたり太いものに取りかえたりしたときに抵抗がどう変わるかを調べるときに使います。
なぜそうしてよいのか
同じ材質・同じ太さで、抵抗 の導線を 2 本用意して考えます。2 本を端どうしでつなぐと、長さが 2 倍の 1 本の導線と同じです。これは直列接続なので、合成抵抗は になります。一方、2 本を横に並べて両端をそろえてつなぐと、断面積が 2 倍の 1 本の導線と同じです。これは並列接続なので、 より です。本数を 本に増やしても同じように考えられます。したがって、抵抗は長さ に比例し、断面積 に反比例します。
この比例関係を と書きます。比例定数 (ロー)を抵抗率といいます。抵抗率は材質(と温度)だけで決まり、導線の長さや太さには関係しません。 なので、単位は です。
導線を体積を変えずに引きのばす場合を考えます。体積 が一定なので、長さが 倍になると断面積は 倍になります。抵抗は となり、 倍になります。長さが増えることと細くなることの両方が、抵抗を大きくするからです。
手順
抵抗率 (単位 )、長さ 、断面積 を読み取り、単位を m と にそろえる()。
断面積が与えられず半径 が与えられているときは、 で断面積を求める。
に代入して抵抗値を計算し、指定された有効数字に丸める。
体積一定で引きのばすときは、長さ 倍なら断面積が 倍になることを使う。抵抗は となる。
例題
抵抗率 のニクロム線があります。長さは 、断面積は です。このニクロム線の抵抗は何 か。有効数字 2 桁で求めよ。温度による抵抗率の変化は考えないものとする。
例題の解答
手順1:単位をそろえます。、 です。断面積は です。
手順2:断面積は与えられているので、 の計算は必要ありません。
手順3: に代入します。
よって、抵抗は です。
答え:
よくある誤り
を に直すときに としてしまう誤り。正しくは を 2 乗して、 です。
体積一定で長さを 2 倍に引きのばしたとき、抵抗も 2 倍としてしまう誤り。正しくは、断面積が 倍になることも効いて、 となり 4 倍です。
半径(または直径)を 2 倍にしたとき、断面積も 2 倍で抵抗は 倍としてしまう誤り。正しくは なので断面積は 倍になり、抵抗は 倍です。また、直径 をそのまま に入れず、 とします。
導線を引きのばすと抵抗率 も変わるとしてしまう誤り。正しくは、 は材質(と温度)で決まる定数です。引きのばしで変わるのは と だけで、 はそのまま使います。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
- 断面積
ニクロム線(太さは誇張して描いている) ニクロム線について考える。長さは 、断面積は で、断面積は線のどこでも同じである。ニクロムの抵抗率を とする。このニクロム線の両端のあいだの抵抗値は何 か。有効数字 2 桁で求めよ。
断面積ニクロム線(太さは誇張して描いている) 断面積が で、太さがどこでも同じ一様なアルミニウムの導線がある。アルミニウムの抵抗率を とする。この導線の抵抗値を にするには、導線の長さを何 m にすればよいか。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、導線の温度は一定で、抵抗率は変わらないものとする。
アルミニウムの導線断面積図は模式図です
この技能を使う問題
長さ 、断面積 の一様な金属の抵抗線がある。この抵抗線を電池・電流計と直列につなぎ、抵抗線の両端に電圧計をつないで測定したところ、電圧計は 、電流計は を示した。この金属の抵抗率は何 か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、電流計の抵抗は無視でき、電圧計には電流が流れないものとする。また、抵抗線の温度変化による抵抗率の変化は考えないものとする。
抵抗線抵抗率 、長さ 、断面積 の一様なニクロム線がある。このニクロム線を、全体が一様な太さのまま長さが になるように引きのばした。引きのばしても、ニクロム線の体積と抵抗率は変わらないものとする。
引きのばしたニクロム線の両端を、起電力 、内部抵抗 の電池の正極と負極に導線でつないだ。このとき、ニクロム線に流れる電流の大きさは何 A か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、導線の抵抗は無視でき、ニクロム線の温度変化による抵抗率の変化は考えないものとする。
(内部抵抗 )ニクロム線太さが一様な金属の導線があり、その抵抗値は である。この導線を長さが等しい 2 本に切り分け、一方を導線 とする。もう一方は、太さが一様なまま長さがもとの 2 倍になるように引きのばし、これを導線 とする。引きのばしても導線の体積と抵抗率は変わらないものとする。
導線 と導線 を並列に接続し、その両端を起電力 、内部抵抗の無視できる電池の正極と負極につないだ。電池から流れ出る電流は何 A か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、接続に使う導線の抵抗と、温度による抵抗率の変化は無視できるものとする。
この技能の次に学べること
- ホイートストンブリッジとメートルブリッジ (高校物理 電流と回路)
- 移動度と導電率 (大学物理 電子回路・半導体デバイス)
- 導電率とモル伝導率 (大学化学 電気化学)