直列では電圧が分かれ並列では同じになる理由を考えよう

直列と並列で発熱が違う理由は、電熱線の本数そのものではありません。回路のつなぎ方によって、各電熱線に加わる電圧と流れる電流が変わるからです。

このレッスンの役割

「電熱線の直列・並列接続」の第3段階です。前のレッスンで、接続方法だけを変える実験を設計しました。今回は測定値を回路の規則とP＝VIでつなぎ、なぜ並列の方が大きく発熱するのかを説明します。次へ、各部分と回路全体の電力計算を渡します。

直列回路では電流はどこでも同じで、各部分の電圧の和が電源電圧になります。同じ電熱線二本なら電圧は等しく分かれます。並列回路では各枝の電圧が電源電圧と等しく、全電流は枝電流の和です。

6 Ωの電熱線二本を6 V電源へつなぎます。直列の合成抵抗は12 Ωなので、回路電流は6÷12＝0.5 Aです。同じ電熱線なので各電圧は3 V、各電力は3×0.5＝1.5 W、全体は3 Wです。

並列では各電熱線に6 Vが加わります。各枝の電流は6÷6＝1 A、各電力は6×1＝6 Wです。二本分で全体は12 Wです。同じ時間ならQ＝Ptより、並列は直列の4倍の電気エネルギーを熱へ変えます。

重要なのは「並列だから4倍」と丸暗記しないことです。ここでは同じ抵抗二本・同じ電源という条件だから4倍になりました。

直列で各電熱線に6 Vが加わると考えると、二本の電圧の和が12 Vになり、6 V電源と矛盾します。並列で6 Vを二本へ分けて3 Vずつと考えるのも誤りです。各枝の両端はどちらも電源の同じ二点につながっているため、各枝は6 Vです。

接続	各電熱線の電圧	各電熱線の電流	全体の電力
直列	3 V	0.5 A	3 W
並列	6 V	1 A	12 W

確認1：直列の同じ電熱線二本では6 Vをどう分けますか？

各3 Vです。各部分の電圧の和が6 Vになり、同じ抵抗なので等しく分かれます。

確認2：並列の各電熱線には何Vが加わりますか？

各6 Vです。どちらの枝も電源の両端へ直接つながっています。

確認3：並列の全体電力が大きい理由をP＝VIで説明できますか？

各枝に電源と同じ電圧が加わり、各枝に電流が流れます。各電熱線のVIが大きく、その和である全体電力も大きくなります。

接続方法は各部のVとIを決め、その積Pが発熱の速さを決めます。次は各電熱線と回路全体を混同せず、数値で比べます。

クイズと理解チェックは、アプリで挑戦できます。