0818【電流18】電気とそのエネルギー3 明るさが逆転する理由
２つの豆電球Ｘ，Ｙがある。それを直列と並列につないでみた。電池はいずれも同じ2個直列である。
いずれも左側が豆電球Ｘ、右側が豆電球Ｙである。
豆電球の明るさがわかるようにしたら、写真全体が暗くなってしまったけれど、左の写真が直列、右の写真が並列につないである。
直列につなぐと豆電球Ｘはほとんど光っていない。「電流が流れていないのでは？」と疑いたくなるが、だとしたら、豆電球Ｙも光っていないはずである。豆電球Ｙは光っているから、電流は流れてはいるものの、豆電球を光らせるまでのパワーはない、というところだろうか。
一方、並列にすると両方光っているが、特に豆電球Ｘの方が明るい。あれ、逆じゃない？
どうして、直列と並列では明るさが逆転するのだろう。それを考えてみよう。
ここから計算をしやすくするため、モデルケースとしてとして、20Ωの電球Ａと100Ωの電球Ｂがあり、電源電圧は3.0Vとしよう。これらの電球は、抵抗値が変化しないとする。
で、ここでは消費電力が大きいほど明るくなる、という前提にしておきましょう。
すると、明るさの大小を比較する代わりに、電力を比較すればよいことになります。
ちなみに、同じ消費電力でも、昔ながらのシリカ電球とＬＥＤ電球では明るさは大違いですので、同じ電球だから、とりあえずこう考えましょう、という話で、厳密に突っ込まないのがお約束だ。
直列につなぐと、回路全体の抵抗は20+100=120Ω
電流は 3.0Ｖ÷120Ω＝0.025Ａ これは電球Ａも電球Ｂも共通
電圧は 電球Ａは 0.025Ａ× 20Ω＝0.5Ｖ
電球Ｂは 0.025Ａ×100Ω＝2.5Ｖ
(別法 3.0Ｖ－0.5Ｖ＝2.5Ｖ)
電球Ａ 電球Ｂ
電圧Ｖ 0.5V 2.5V
電流Ｉ 0.025A 0.025A
電力Ｐ 0.0125W 0.0625W
どうでもいいことですが、電圧・電流・電力を表す文字を3つ並べるとVIP になる。本当にどうでもいいな。
で、電力Ｐを比べると電球Ｂの方が大きい、つまり明るく光ることになる。
今度は並列回路。
まず、電圧は電球Ａも電球Ｂも電源と同じく3.0V。
電流は 電球Ａは 3.0V÷ 20Ω＝0.15Ａ
電球Ｂは 3.0V÷100Ω＝0.03Ａ
電球Ａ 電球Ｂ
電圧Ｖ 3.0V 3.0V
電流Ｉ 0.15Ａ 0.03Ａ
電力Ｐ 0.45W 0.09W
で、電力Ｐを比べると今度は電球Ａの方が大きい、つまり明るく光ることになる。
ちょうど電球Ａは豆電球Ｘに、電球Ｂは豆電球Ｙに対応する。
直列は電源の電圧を2つの電球で分けるのに対し、並列では2つの電球がそれぞれ電源分の電圧をもらう。これは家庭用の配線が並列である話のときにも出てきた。並列の方が電圧は大きい。
電流の数字を比べても、やはり直列よりは並列の方が大きい数字が並ぶ。
当然、電圧×電流である電力も並列の方が大きくなる、というわけだ。
倹約家のＡさんと浪費家のＢさんがいる。それぞれ別々(並列)に暮らしていたら、浪費家のＢさんより倹約家のＡさんのほうが経済的に楽な思いをする。ところが、二人が結婚か何かして一緒(直列)に暮らすようになったら、浪費家のＢさんの割を食って、倹約家のＡさんの方がひもじい思いをする。そんなふうにたとえられないだろうか。…られない？