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オームの法則と抵抗率

オームの法則 と の意味を説明でき、抵抗値は長さ・断面積で変わるが抵抗率は物質(と温度)で決まること、抵抗率の単位が であることを判定できる

前提

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説明

オームの法則 は、導体に加える電圧 と流れる電流 の関係を表す法則です。比例定数 を抵抗といい、単位は (オーム)です。抵抗は導線の長さ と断面積 によって と変わります。この式の を抵抗率といい、物質の種類と温度だけで決まります。この技能を使うと、「何を変えると何が変わるか」や「抵抗率の単位は何か」を正しく判定できます。

なぜそうしてよいのか

金属の導線に電圧を加えると、導線の中に電場ができます。自由電子はこの電場から力を受けて動きますが、熱運動している金属の陽イオンにぶつかりながら進みます。そのため、電流はある大きさで落ち着き、多くの導体では電流 が電圧 に比例します。これが です。 は「1 A 流すのに何 V 必要か」を表すので、単位は です。 は導体で決まる量で、 を変えても(温度が同じなら)変わりません。

長さと断面積で抵抗が変わる理由は、同じ導線をつなぎ合わせて考えるとわかります。長さ で抵抗 の導線を 2 本、端と端をつないで長さ にします。電気量は保存されるので、どちらの部分にも同じ電流 が流れます。1 本あたり電圧 が必要なので、全体では が必要になり、抵抗は です。つまり は に比例します。次に、同じ導線 2 本を横に並べて断面積 の太い導線と考えます。電圧 を加えると各導線に ずつ流れ、合計は です。よって抵抗は になり、 は に反比例します。

この二つをまとめると になります。比例定数 は、形(, )の影響を取り除いたあとに残る「物質そのものの電流の流しにくさ」です。だから は物質の種類と温度で決まり、形にはよりません。金属は温度が上がると陽イオンの熱振動が激しくなり、電子が進みにくくなるので、 は大きくなります。また なので、単位は です。

手順

  1. まず、選択肢が抵抗 の話か、抵抗率 の話かを見分ける。

  2. の話なら に当てはめる。 は長さ に比例し、断面積 に反比例する( は一定のまま)。

  3. の話なら、 は物質の種類と温度だけで決まり、長さや断面積を変えても変わらないことを確かめる。金属では、温度が上がると は大きくなる。

  4. 単位の話なら、 から となることを使う。 から、抵抗率の単位は となる。

  5. の話なら、 が一定のとき と は比例することを確かめる。 は や を変えても変わらない。

例題

金属の導線の抵抗と抵抗率について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。ただし、温度は一定とする。
ア 同じ材質の導線で長さを 2 倍にすると、抵抗率は 2 倍になる。
イ 抵抗率の単位は である。
ウ 同じ材質の導線で長さと断面積をともに 2 倍にすると、抵抗はもとの導線の抵抗と等しくなる。
エ 抵抗率は物質の種類によらず、導線の長さと断面積だけで決まる。

例題の解答

手順 1:ア・エは抵抗率 の話、ウは抵抗 の話、イは単位の話である。
手順 3: は物質の種類と温度で決まり、長さを変えても変わらない。長さを 2 倍にして 2 倍になるのは、 ではなく抵抗 である。よってアは誤り。また、 は物質の種類で決まるので、エも誤り。
手順 4: の単位は である。 ではないので、イは誤り。
手順 2:材質と温度が同じなので は変わらない。新しい抵抗は となり、もとの抵抗と等しい。よってウは正しい。
答えはウである。

答え:

ウ

よくある誤り

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

この技能を使う問題

この技能の次に学べること