直列・並列回路の電流分布バーチャル実験 ガイド

概要

電荷の流れは厳密な保存則に従います。直列回路では電流の経路は1つしかありませんが、並列回路では電流は複数の経路に分かれます。この実験は、リアルタイムシミュレーションとデータ比較を通じて、直列および並列回路における電流の法則を発見するのに役立ちます。

背景

• ボルタ電堆：1800年、ボルタは電池を発明し、定常電流の研究を可能にしました。
• キルヒホッフの法則：1845年、グスタフ・キルヒホッフは、節点電流と閉路電圧の保存関係を厳密に記述する回路法則を提唱しました。
• 電化の時代：エジソンは当初、直流（DC）ネットワーク（並列負荷に重点を置く）を推進しましたが、テスラは交流（AC）を推進し、最終的に現代の電力システムの基礎を築きました。

基本概念

公式と導出

実験手順

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   直列電流の観察

   コントロールパネルで「直列回路」を選択します。$R_1=10\Omega$、$R_2=20\Omega$ に設定し、スイッチを閉じます。電流計 $I$、$I_1$、$I_2$ の読み値を観察します。抵抗が異なっていても、電流は完全に同じですか？
2. 2

   並列回路への切り替え

   回路を「並列回路」に切り替えます。回路図で電流がどのように分かれるか観察します。幹線電流と分岐電流の関係はどうなっていますか？
3. 3

   並列電流の分岐の探求

   並列モードで、$R_1=10\Omega$ を一定に保ち、$R_2$ の抵抗を上げてみます。$I_1$ と $I_2$ の変化を観察します。分岐の抵抗が大きいほど、流れる電流は____なりますか？
4. 4

   総電流の式の確認

   ある瞬間の $I_1$ と $I_2$ の読み値を記録し、その和が総電流 $I_{total}$ に等しいか計算します。電源電圧を変えて、この法則が成り立つか確認してください。

学習目標

• 直列回路と並列回路の構造的特徴を区別することを学ぶ。
• 直列回路では電流がどこでも同じであるという法則を実験的に確認する。
• 並列回路では幹線電流が分岐電流の和に等しいという法則を実験的に確認する。
• 並列回路の電流分岐における抵抗の影響を理解する：抵抗が大きいほど電流は小さくなる。

応用例

• 家庭用回路：コンセントや照明は通常並列に接続されており、1つの照明が故障しても他は点灯し続け、各デバイスが主電源から電流を引き出すことができます。
• 装飾用ライト：古いスタイルのストリングライトは直列接続を使用していたため、電球が1つ故障するとストリング全体が消えてしまいました。
• 車のダッシュボード：様々なセンサーやインジケーターは、互いに干渉しないように並列に接続されています。

よくある誤解

参考文献

• ウィキペディア - 直列回路と並列回路