電池を逆につなげると豆電球はどうなるの?

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★科学★
問題:口絵をごらんください。上の図では1.5V(ボルト)の乾電池1つが豆電球につながっています。下の図では、おなじ電池を3つ直列につなげています。ただし、1つの電池は逆向きです。この変則的なつなぎかたでスイッチを入れたとき、豆電球の光はどうなるでしょうか?
[い]点灯しない
[ろ]点灯するが1つの電池でつけたほうが明るい
[は]1つの電池の場合とおなじ明るさになる
[に]1つの電池の場合よりも明るくなる
[ほ]明るくなったり暗くなったり不安定になる
(答えはずっと下↓ スクロールして下さい)

























★科学★
正解:[ろ]点灯するがひとつの電池でつけたほうが明るい
説明:小学校で習ったところによれば、乾電池を直列につないだ場合、それぞれの電池の電圧を足した数値が全体の電圧になります。1.5Vの乾電池を3つつなげば、4.5Vになる計算ですね。
■1つだけ逆向きにすると、2つ分の3Vから1.5Vを引いた1.5Vになるそうです。つまり、逆向きにつないだ電池は、正方向の電池1つと打ち消しあう形になるらしい。
■この考えかたが正しいならば、1.5Vの乾電池1つをつないだ場合とおなじ明るさになりそうなものです。でも少し暗くなる。その理由は、電池の内部抵抗にあるらしい。
■乾電池だけでなく、あらゆる電池には内部抵抗があるそうです。内部抵抗とは、文字通り電池内部で発生し、電気の流れを妨げようとする働きらしい。問題の変則的なつなぎ方と乾電池1つだけの場合では、電圧は一緒です。でも内部抵抗は3倍になってしまいます。豆電球の抵抗はおなじです。電圧がおなじで抵抗が増えますから流れる電流は少なくなる。暗くなる。「電圧=電流×抵抗」という法則性があるんでしたよね。オームの法則でしたっけ。
■乾電池を使っていくと、だんだん疲れてきます。最後には豆電球さえつけられなくなります。寿命を迎えた乾電池の電圧を測ってみると、1.3~1.4Vぐらいはあるものだそうです。つまり、電圧そのものはそんなに落ちていないらしい。抵抗値を測ってみると、新品のときよりもずっと大きくなっているとのこと。電池は活力が落ちるので寿命が尽きるのではなく、力を出そうとしても抵抗が大きくなって出せなくなるようです。
■電池の種類によって、内部抵抗は異なるとのこと。ニッケルカドミウム電池は内部抵抗が小さいそうです。よく使われるアルカリマンガン電池は、比較的内部抵抗が大きいらしい。
■Wikipedia*2によれば、乾電池の内部抵抗は、一般に大きなものほど少ないらしい。おなじ乾電池でも、単1型と単5型では、単5型のほうが内部抵抗が大きいらしい。ちょっと意外でした。幅の広い川のほうが水が流れやすいのとおなじように、乾電池の場合も大きいほうが電気が流れやすいのかな。
◆参考*1:書籍「パズル 物理のふしぎ入門」新書初版203~206頁、福島肇著、講談社
◇*2HP「内部抵抗 Wikipedia」
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%86%85%E9%83%A8%E6%8A%B5%E6%8A%97

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