電気
電荷、電流、電圧、抵抗から、オームの法則、直列・並列回路、電力、電気料金、安全な使い方まで学びます。回路実験室では、電池、電球、抵抗器、スイッチ、ヒューズを組み合わせて回路を作れます。組み立てるたびに各部分の電流が計算されます。
このコースについて
ベンジャミン・フランクリンは、電荷の原因を知らずにその作用を観察できました。1700年代にどちらの電荷を正と呼ぶか決めましたが、電子を見る手段はありませんでした。その選択によって、後に電子は負となりました。この古い約束は今も残っています。回路に描く電流の向きは正電荷が進む向きで、導線内の電子が実際に進む向きとは逆です。電子1個の電荷の大きさは1.602176634 × 10⁻¹⁹クーロンなので、1クーロンは約6.24 × 10¹⁸個の電子に相当します。
7つの単元は電荷から始まり、電流、電圧、抵抗へ進みます。トラックのバッテリーが4秒で720クーロンをスターターに送ると、電流は180アンペアです。次にオームの法則、直列回路を学びます。6 Vの電池につないだ12 Ωの電球2個には、それぞれ3 Vがかかります。並列なら同じ電球に各0.5 Aが流れ、電池は1 Aを供給します。電力と電気料金では、60 Wの電球を1000時間使うと60 kWh、1 kWh当たり12セントなら$7.20です。最後の安全の単元では、人体に10～20 mAが流れると手が導線を握ったまま離せなくなることを学びます。回路の実験室では電池、電球、抵抗、スイッチ、ヒューズで回路を組み、すべての電流の計算を見られます。スイッチを開くと直列ではもう一方も消え、並列では消えないことや、輪を閉じて短絡を起こすことを確かめられます。
電流計が未発明だったため、オームは1825年と1826年、導線の近くにつるした磁針で実験し、1827年に法則を発表しました。スミソニアン図書館によると、その研究は当初、嘲笑されました。
はじめる前に
オームの法則は1行の式で、直列と並列の単元では抵抗を足したり割ったりするので、必要な代数は一次方程式にあります。最初の電子と電荷の単元には、原子にざっと目を通しておくと助けになります。
終わったら
学び終えると、電荷と時間から電流を計算し、オームの法則で抵抗や電流を求め、直列と並列の抵抗の合計を出せます。ワットと時間をキロワット時と電気代に直し、直列の2つの電球が1つより暗く光る理由を述べ、ヒューズが回路で何をするかを説明することもできます。
- 1電荷電子1個の電荷の大きさは1.602176634 × 10⁻¹⁹クーロンなので、1クーロンは電子約6.24 × 10¹⁸個の電荷の大きさに相当します。
- 2電流、電圧、抵抗トラックの電池が4秒間に720クーロンをスターターモーターに流すとき、電流は180アンペアです。
- 3オームの法則12.0 Vの電池で2.50 Aが流れる自動車のヘッドライトの抵抗は、12.0 ÷ 2.50 = 4.80 Ωです。
- 4直列回路6 Vの電池に12 Ωの電球2個を直列につなぐと、各電球には3 Vがかかり、0.25 Aが流れます。それぞれの電力は、電球1個だけをつないだときの4分の1になります。
- 5並列回路6 Vに12 Ωの電球2個を並列につなぐと、それぞれに0.5 Aが流れます。電池が供給する電流は1 Aとなり、電球1個のときの2倍です。
- 6電力と電気料金60 Wの電球を1,000時間つけると60 kWhを使い、1 kWhあたり12セントなら料金は$7.20です。
- 7電気の安全体に約10〜20 mAが流れると、手が導線を握ったまま離せなくなることがあります。全身が水でぬれた人の抵抗は、わずか10 kΩの場合があります。
このコースの出典 (14)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 18.1 Static electricity and charge (amber and the Greek word elektron, like charges repel, glass and silk, Franklin)
- 20.1 Current (I = ΔQ/Δt, 1 A = 1 C/s, truck battery 720 C in 4.00 s, calculator 0.300 mA, conventional current traced to Franklin, drift speed of order 10⁻⁴ m/s, 12-gauge copper wire 2.053 mm, copper density 8.80 × 10³ kg/m³)
- 20.2 Ohm's law (Ohm first showed I ∝ V by experiment, ohmic materials, headlight 12.0 V and 2.50 A = 4.80 Ω, dry person hand to foot about 10⁵ Ω)
- 20.3 Resistance and resistivity (Table 20.1: silver 1.59, copper 1.72, gold 2.44, aluminium 2.65, tungsten 5.6, iron 9.71, nichrome 100, all × 10⁻⁸ Ω·m; headlight cold 0.350 Ω)
- 20.4 Electric power and energy (P = IV = V²/R = I²R, kWh, 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J, 60 W bulb for 1000 h at 12 cents per kWh = $7.20, 15 W CFL)
- 20.6 Electric hazards and the human body (thermal and shock hazards, short circuit 120 V across 0.100 Ω = 144 kW, worn cord 2.00 Ω at 10.0 A = 200 W, fuses and circuit breakers, Table 20.3 shock effects, dry skin 200 kΩ, wet 10.0 kΩ)
- 21.1 Resistors in series and parallel
- 21.2 Electromotive force and internal resistance
- 21.3 Kirchhoff's rules
- 23.8 Electrical safety (three-wire system, earth/ground wire, double insulation, GFI trips above 5 mA)
- NIST CODATA elementary charge 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C exact (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e)
- Safety text is general information, not advice for working on mains wiring. Linda Hall Library, Scientist of the Day: Georg Ohm (lindahall.org/about/news/scientist-of-the-day/georg-ohm, experiments 1825 and 1826 with a compass needle, Die galvanische Kette 1827)
- Smithsonian Libraries, Die galvanische Kette (library.si.edu/digital-library/book/diegalvanischeke00ohmg, first publication of Ohm's law, ridiculed at first)
- IEC 60038:2009 standard voltages (230 V grew out of 220 V and 240 V systems; 220 V still used).
確認日: 2026-10-17