Physic Labs

電磁気学

閉回路に対するオームの法則と起電力

起電力 E\mathcal E と内部抵抗 rr をもつ電源について閉回路のオームの法則を調べます。内部抵抗を変えたときの電流を測り、I=E/(R+r)I = \mathcal E/(R+r) と端子電圧 U=E−IrU = \mathcal E - Ir を確かめます。

高等学校

⚠ 図の回路はシミュレーションです。実際の回路では電源の両端を短絡しないでください。短絡電流 I≈E/rI \approx \mathcal E/r は電源を過熱・損傷させる恐れがあります。

器具

  • 起電力 ℰ と内部抵抗 r をもつ電源（3Dモデル、ドラッグで回転）
  • スライダー「Cảm ứng từ / mức」（テスラ表示、グラフ振幅を調整）
  • スライダー「Góc / tốc độ」（読み取りで内部抵抗 r として機能、Ω）
  • 各図の「Tạm dừng / Chạy tiếp」ボタン
  • 電流の読み取り「I = ℰ/(R+r)」（A）

手順

  1. 閉回路の電流を読む

    セクション1で電源モデルと回路を観察し、キャンバスをドラッグして視点を回転します。表示「I = ℰ/(R+r) = … A (ℰ = 1 V, R = 1 Ω, r = … Ω)」を読み、表示された数値から手計算した I=ER+rI = \frac{\mathcal E}{R+r} と照合します。

  2. 内部抵抗 r を変える

    「Góc / tốc độ」スライダーを小さい値から大きい値へ動かします。これが読み取り中の r（Ω）を制御します。r の3つの値で I を記録し、I=E/(R+r)I = \mathcal E/(R+r) に従って r が増えると I が減ることを確かめます。r → 0 で電源は理想電源に近づき、U→EU \to \mathcal E となります。数値を読む間は「Tạm dừng」を押すと図が止まります。

  3. 定量グラフと照合する

    セクション2ではグラフがパラメータに応じて更新されます。一方のスライダーを固定してもう一方を変えます。「Cảm ứng từ / mức」で表示振幅を、「Góc / tốc độ」で r を変え、セクション2の読み取りをもう一度確認します。各 (I, r) の組について端子電圧を U=E−IrU = \mathcal E - Ir で検算します。

  4. 理想電源の極限を予測する

    「Góc / tốc độ」を最小にする前に、r ≈ 0 のときの I と U を I≈E/RI \approx \mathcal E/R と U≈EU \approx \mathcal E で予測し、スライダーを動かして確かめます。逆に r を最大にして電流が弱くなることを観察し、古い電池（r が大きい）が開放電圧では E\mathcal E に近い値を示すのに電流を十分流せない理由を説明します。

シミュレーション

実験の歴史

電源の起電力は、電池や発電機内部でのエネルギー変換から生まれます。1800年、アレッサンドロ・ヴォルタがヴォルタ電堆――初めての連続的な電流源――を作り、安定した電流を測定できるようになりました。1827年ゲオルク・オームは電流と電位差の定量的関係を発表し、同じ著作の中で電源の「励起力」（起電力）と回路内外の抵抗を区別しました。 1831年、マイケル・ファラデーが電磁誘導を発見し、化学反応によらない新しい起電力の発生法――発電機の原理――が開かれました。閉回路の公式 I=E/(R+r)I = \mathcal E/(R+r) と端子電圧 U=E−IrU = \mathcal E - Ir は、グスタフ・キルヒホッフ（1845）によって一般の回路法則の中に位置づけられ、内部抵抗をもつ実在の電源を含むあらゆる閉回路を解析できるようになりました。

関連する物理学者

Georg Simon OhmJames Clerk Maxwellマイケル・ファラデー

関連するライブラリのトピック

閉回路に対するオームの法則と起電力