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。
電流は毎秒流れる電気量
導線のそばに立ち、ある点を通過する電荷を数えるところを想像してください。毎秒通過する電気量が電流で、I = ΔQ ÷ Δtと表します。単位はアンドレ＝マリ・アンペールにちなんだアンペア（A）で、1アンペアは毎秒1クーロンです。トラックのエンジンを始動するとき、電池は4.00 sで720 Cを移動させます。720 ÷ 4.00 = 180 Aです。電卓の電流は約0.300 mAなので、1クーロンが通過するには1 ÷ 0.000300 ≈ 3,333秒、つまり1時間近くかかります。ヒューズ、配線用遮断器、多くの電気器具には、アンペアで定格が表示されています。
電流はどちらに流れる？
金属の導線で動く電荷は電子です。電子は電池の負極から回路を通り、正極へ向かいます。しかし、回路図に記す向きはその逆です。電流の向きは、正の電荷が流れる向き、つまり+極から出て−極へ戻る向きと定義されています。この慣習は1700年代のベンジャミン・フランクリンにさかのぼります。どちらの見方でも、電流や電圧の計算結果は同じです。負の電荷が左に動くことは、正の電荷が右に動くことと同じ効果をもつからです。回路実験室では、電子、電流の矢印、または両方を表示して、いつも逆向きになることを確かめられます。
電子そのものの移動は遅いものです。電子は原子にぶつかりながらジグザグに動き、前向きの平均速度であるドリフト速度はごくわずかです。OpenStaxは、直径2.053 mmの家庭用銅線に20 Aを流した場合、毎秒約0.45 mmと計算しています。電子が1メートル進むには30分以上かかる速さです。それでも、スイッチを押すとすぐに電灯がつきます。導線にはもともと自由電子が詰まっているため、電子を動かす作用はほぼ光の速さで伝わります。水で満たされたホースと同じで、一端が動き始めると、ほかの場所も動き始めるのです。
電圧：1クーロンあたりのエネルギー
電荷を動かすには、押すはたらきが必要です。電池は通過する電荷に仕事をし、1クーロンあたりに与えるエネルギーが電圧です。単位はボルトで、1 V = 1クーロンあたり1ジュールです。1.5 Vの電池は1クーロンごとに1.5 Jを与えます。12 Vの自動車用電池なら、1クーロンごとに12 Jなので、5 Cを移動させると60 Jを与えます。電圧は必ず二点間の差であり、電位差とも呼ばれます。電池内部で電位が上がり、回路のほかの部分にある電球や抵抗器で下がります。そこでエネルギーが光や熱に変わります。
水にたとえるとわかりやすくなります。電池は水を高い場所へくみ上げるポンプで、電圧はくみ上げる高さです。電流は毎秒流れる水の量です。流れを妨げる細い管が、抵抗にあたります。細部まですべて説明できるたとえではありませんが、同じ管でも電圧を大きくすると電流が大きくなる理由がわかります。
抵抗：電流の流れにくさ
自由電子は移動する途中で物質の原子と衝突してエネルギーを渡し、物質を温めます。この電流の流れにくさが電気抵抗Rで、単位はオーム（Ω）です。導線の抵抗は、材質、長さ、太さによって決まります。R = ρL ÷ Aで、ρは物質の抵抗率です。長い導線ほど抵抗は大きく、太い導線ほど小さくなります。表にはOpenStaxにある抵抗率の例を示しました。配線に銅を使うのは、銅よりよく電気を通すのは銀だけで、銀はずっと高価だからです。銅の約58倍の抵抗率をもつニクロムは、トースターやヒーターで赤く光るコイルに使われます。
| 物質 | 抵抗率ρ（Ω·m） |
|---|---|
| 銀 | 1.59 × 10⁻⁸ |
| 銅 | 1.72 × 10⁻⁸ |
| 金 | 2.44 × 10⁻⁸ |
| アルミニウム | 2.65 × 10⁻⁸ |
| タングステン | 5.6 × 10⁻⁸ |
| 鉄 | 9.71 × 10⁻⁸ |
| ニクロム | 100 × 10⁻⁸ |
この家庭用銅線10 mについて計算してみましょう。断面積はπ × (1.0265 mm)² ≈ 3.31 × 10⁻⁶ m²なので、R = 1.72 × 10⁻⁸ × 10 ÷ (3.31 × 10⁻⁶) ≈ 0.052 Ωです。このため、回路実験室と同じように、接続用の導線には通常、抵抗がないとみなせます。
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| 電流I | 毎秒流れる電気量。単位はアンペアで、1 A = 1 C/sです |
| 電圧V | 1クーロンあたりのエネルギー。単位はボルトで、1 V = 1 J/Cです |
| 抵抗R | 電流の流れにくさ。単位はオーム（Ω）です |
| 電流の向き | 電池の外では+から−へ |
| 電子の流れ | 電池の外では−から+へ |
| R = ρL ÷ A | 長い導線はRが大きく、太い導線はRが小さくなります |
- I = ΔQ ÷ Δt。1 A = 1 C/sです。
- 電流は+から−へ、導線内の電子は−から+へ動きます。
- 電子の移動は遅く（1 mm/s未満）、押すはたらきはほぼ光の速さで伝わります。
- 電圧は1クーロンあたりのエネルギーで、1 V = 1 J/Cです。
- R = ρL ÷ A。銅線の抵抗はとても小さいです。
- スターターモーターを4.00 sで720 Cが通過します。電流は何アンペアですか？
- 携帯電話を2 Aで1時間（3,600 s）充電します。何クーロンが通過しますか？
- 電卓に0.300 mAが流れています。1 Cが通過するのに何秒かかりますか？（整数で）
- 電池の外の銅線で、電子が動く向きは？
- −から+へ
- +から−へ
- 電子は動きません
- 電子の移動が1 mm/s未満なのに、電灯がすぐにつくのはなぜですか？
- 導線にはもともと電子が詰まっており、いっせいに動き始めるからです
- 電子がスイッチから電灯まで跳ぶからです
- 電灯が光を蓄えているからです
- 12 Vの電池に5 Cが通過します。電荷に何ジュールを与えますか？
- 抵抗が最も大きい導線はどれですか？すべて銅製です。
- 長くて細い導線
- 短くて太い導線
- 長くて太い導線
- 短くて細い導線
- 直径2.053 mm、長さ10 mの銅線の抵抗は何オームですか？（小数第3位まで、ρ = 1.72 × 10⁻⁸ Ω·m）
- 表の金属のうち、最も電気をよく通すのはどれですか？
- 銀
- 銅
- 金
- 鉄
- 実験室でスイッチが開いています。電流はいくらですか？
- 0 A
- 0.5 A
- 電球によります
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