直列つなぎと並列つなぎの違いとは!電圧・電流・豆電球の明るさは?

アイキャッチ電球2

直列と並列。

始めて出てきたのは、中学生のときの理科の時間だったでしょうか?

電気は目に見えないので、初めて習った時にはなかなかイメージできずに苦労した思い出があります。

特に、直列つなぎと並列つなぎの違いは分かりにくく、電気で苦労する一つのポイントでした。

そこで今回は、直列つなぎと並列つなぎの違いを分かりやすくまとめてみました!

2つのつなぎ方の違いによって、電圧・電流・豆電球の明るさがどのように変わるかお話していますので、ぜひ最後まで読んでみてくださいね(^^)

(このページでは、乾電池の電圧や豆電球の抵抗は一定で、内部抵抗などもなく、オームの法則が成り立つ理想的な回路であることを前提にお話していきます)

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直列つなぎと並列つなぎの違い

それでは、早速ですが直列つなぎと並列つなぎの違いをまずは一言でお伝えします。

乾電池と豆電球の電気回路があった場合、乾電池・豆電球をそれぞれ直列・並列につなぐと、そのときの変化は下記の通りになります。

◆乾電池の直列・並列つなぎ

乾電池直列並列
電圧(電源)増える同じ
電流(回路全体)増える同じ
豆電球の明るさ明るくなる同じ
電池寿命短くなる長くなる

◆豆電球の直列・並列つなぎ

豆電球直列並列
電圧(電源)同じ同じ
電流(回路全体)減る増える
豆電球の明るさ暗くなる同じ
電池寿命長くなる短くなる

直列つなぎ・並列つなぎには、それぞれこのような特徴があったのですね!

ただ、言葉だけだとちょっと分かりにくいかなとも感じます。

そこで次の章からは、電気回路のイラストや具体的な数値を用いながら、直列と並列つなぎについて、さらに深掘りしてお話していきます!

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直列つなぎと並列つなぎの詳細

それではここからは、直列つなぎと並列つなぎの詳細についてお伝えします。

まずは、こちらの電気回路をご覧ください。

直列並列基本回路

乾電池1個と、豆電球1個だけのとてもシンプルな回路です。

そして、乾電池の電圧を1V、豆電球の抵抗を1Ωとすると、オームの法則より流れる電流は1A、豆電球で消費される電力は1Wとなります。

また、この時の電気の寿命は1時間であるとします。

この回路を、乾電池と豆電球をそれぞれ直列、並列につないだら、電圧・電流・豆電球の明るさ・電池寿命がどのように変化するか、イラストを用いながら分かりやすくお伝えしていきます。

重要公式!電力・電圧・電流・抵抗の関係式

電力・電圧・電流・抵抗の4つの数値は、オームの法則に従って、それぞれ下記のような関係式が成り立ちます。

  • 電力(W)=電圧(V)×電流(I)
  • 電圧(V)=電流(I)×抵抗(Ω)

これからのお話しでも、この公式を使って計算しています。

※電力・電圧・電流・抵抗の関係式については下記のページで詳しくお話していますので、興味のある方はこちらにも遊びにきてくださいね。

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乾電池の直列つなぎ

まずは、乾電池を直列につないだ場合です。

その時の電気回路は、下記のようになります。

乾電池の直列つなぎ

上記のイラストの通り、それぞれの数値はこのように変化します。

  • 電圧(電源):2倍(2V)
  • 電流(回路全体):2倍(2A)
  • 電力(豆電球):4倍(4W)
  • 豆電球の明るさ:明るくなる
  • 電池の寿命:半分(30分)

乾電池を直列につなぐと、1Vと1Vの電圧が足されて、2Vの電圧が得られます。

このとき、豆電球の抵抗は1Ωで変わらないので、電流は2V/1Ω=2A、電力は2V・2A=4Wとなります。

豆電球での消費電力が増えるので、その分ほど電球は明るく光ります。

また、流れる電流が2倍になるので、直列につなぐと電池の減り方は逆に早くなってしまいます。

※さらに数を増やしてn個の乾電池を直列につなぐと、それぞれの数値は下記のようになります。

  • 電圧(電源):n倍
  • 電流(回路全体):n倍
  • 電力(豆電球):n2
  • 電池寿命:1/n倍

乾電池の並列つなぎ

次は、乾電池を並列につないだ場合です。

その時の電気回路は、下記のようになります。

乾電池の並列つなぎ

上記のイラストの通り、それぞれの数値はこのように変化します。

  • 電圧(電源):同じ(1V)
  • 電流(回路全体):同じ(1A)
  • 電力(豆電球):同じ(1W)
  • 豆電球の明るさ:同じ
  • 電池の寿命:2倍(2時間)

乾電池を並列につないでも、電圧は1Vのままです。

電圧が変わらないと豆電球を流れる電流も1Aと変わらないので、そうすると乾電池一つが負担しなければならない電流は半分の0.5Aで済みます。

そのため、乾電池を並列につなぐと豆電球の明るさは変わらないけど、乾電池の寿命が2倍になるという特徴があります。

※さらに数を増やしてn個の乾電池を並列につなぐと、それぞれの数値は下記のようになります。

  • 電圧(電源):同じ
  • 電流(回路全体):同じ
  • 電力(豆電球):同じ
  • 電池寿命:n倍
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豆電球の直列つなぎ

次は、豆電球を直列につないだ場合です。

その時の電気回路は、下記のようになります。

豆電球の直列つなぎ

上記のイラストの通り、それぞれの数値はこのように変化します。

  • 電圧(電源):同じ(1V)
  • 電流(回路全体):半分(0.5A)
  • 電力(豆電球):1/4(0.25W)
  • 豆電球の明るさ:暗くなる
  • 電池の寿命:2倍(2時間)

豆電球を直列につなげると、回路の抵抗が2倍の2Ωになり、電流が半分の0.5Aになります。

※直列と並列の合成抵抗については別ページで詳しくお話していますので、興味のある方はこちらにも遊びにきてくださいね。

抵抗のアイキャッチ

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さらに、豆電球1つ辺りにかかる電圧も半分になるので、電力(=電圧×電圧)は1/4の0.25Wになります。

そのため、豆電球はかなり暗くなります。

しかし、流れる電流が半分になったので、電池の減るスピードは遅くなり電池寿命は2倍になります。

※さらに数を増やしてn個の豆電球を直列につなぐと、それぞれの数値は下記のようになります。

  • 電圧(電源):同じ
  • 電流(回路全体):1/n倍
  • 電力(豆電球):1/n2
  • 電池寿命:1/n倍

豆電球の並列つなぎ

最後は、豆電球を並列につないだ場合です。

その時の電気回路は、下記のようになります。

豆電球の並列つなぎ

上記のイラストの通り、それぞれの数値はこのように変化します。

  • 電圧(電源):同じ(1V)
  • 電流(回路全体):2倍(2A)
  • 電力(豆電球):同じ(1W)
  • 豆電球の明るさ:同じ
  • 電池の寿命:半分(30分)

豆電球を並列につなげでも、1個あたりに流れる電流と電圧は変わらず、豆電球の消費電力と明るさは変わりません。

ただ、豆電球を並列につなげると回路全体の抵抗が半分になって、電気が流れやすくなり電流は2倍の2Aに上がります。

そして電流が多くなってしまうために乾電池の寿命は短くなって、半分の30分になります。

※さらに数を増やしてn個の豆電球を並列につなぐと、それぞれの数値は下記のようになります。

  • 電圧(電源):同じ
  • 電流(回路全体):n倍
  • 電力(豆電球):同じ
  • 電池寿命:1/n倍

まとめ

以上で、直列つなぎと並列つなぎについての話を終わります。

まとめると、下記の通りです。

  • 乾電池を直列につなぐと、電圧と電圧が上がって豆電球は明るくなる。ただし、電池の寿命は短くなる。
  • 乾電池を並列につなぐと、電池の寿命が長くなる。でも、電圧と電流は変わらないので豆電球の明るさは変わらない。
  • 豆電球を直列につなぐと、電流が少なくなって豆電球が暗くなる。しかし、電流が減るので電池寿命は短くなる。
  • 豆電球を並列につなぐと、流れる電流が増えて電池の寿命が短くなる。ただ、豆電球に流れる電流は変わらないので、明るさは変わらない。

ややこしい直列つなぎと並列つなぎ、これでスッキリと理解することができました!

中学生の理科の問題では良く出てくるポイントなので、正しく理解してテストなどをバッチリ乗り切っていきたいですね(^^)

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