電位差計の謎 なぜ電流が流れないのか?

電位差計・・・どうもしっくりこない、などと感じていませんか?
そんな疑問に答えるべくイメージを考えてみました。
これで大丈夫・・・だといいんですが。

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電位差計の謎 なぜ電流が流れないのか?

電位差計はなるほど式を使えばそのとおりかもしれませんが、どうもイメージが湧きづらいですね。
前の記事も参考にして下さい。

電位差計を完全解説 物理のエッセンス Ex 73ページを例として
悩む人が多い電位差計について完全解説。 これで解決。 動画でも解説しています。

動画解説

電位差計のイメージを作る!

よくある水の流れるようなイメージを作ろうとすると矛盾しているような気もします。

なぜかというと、図のような水路を作ったところで
「左側のポンプにも、いつも水が流れるんじゃね?」
と感じてしまうからではないでしょうか。
電位差計では図の電池 $E$ には電流は流れないんですよね。
ということは、水のモデルで左側のポンプに水が流れるのはおかしいですね。

電池とは

電位差計を考える前にちょっと話を戻して電池について考えてみます。
電池とは電位差を作り出し電流を流すものです。

イメージとして電池の内部にポンプがあって電気を押し上げているイメージですね。
このため電池では正極のほうが負極より電位が上がります。

起電力を測定する最も簡単な回路とは

こうしてみると、電池の起電力を測るための最も簡単な装置は次のようなものになると思われます。

標準電池を用意して図のように接続します。
そのとき、電流が流れなければ未知の電池の電圧は標準電池と同じと判定できます。

つまり、電圧による押しあいが引き分け・・というわけです。

ですから未知の電圧測定は、たくさんの標準電池を用意して図の回路で調べることで原理的には測定可能です。

このようなものは実用的ではないですね。

そこで電位差計を考えます。

電位差計を考えると

電位差計を次の右図のようなイメージで考えてみます。
このときかかる電圧が未知の電池電圧に等しければ図に示すように引き分けになるので、電流が流れません。

右図に示したように上下の赤い矢印がせめぎ合っています

そしてそのとき、ちょうど抵抗 $R_1$ に掛かる電圧と未知の電池の電圧は同じになるというわけです。
回路の上から未知の電池・抵抗の方向にともに同じ圧力で押しているイメージです

また、$R_1$ の値を変えることで $R_1$ と未知の電池にかかる電圧は自在に変えることができます。(これが線抵抗上で探針を動かすことにあたります)

なので、標準電池と未知の電池とで、電流が流れないときの抵抗を比較してやればよいということですね。

これはどうなる?

でもなんかモヤモヤしませんか?

ちょっと極端な例をとして、探針が $B$ まで下がるときを考えましょう。

状況によってはこのように、線抵抗一杯の長さ、すなわち探針が $B$ で電流が流れないこともあるでしょう。
このとき電位差計の仕組みから言うと、未知の電池の電圧 $E$ は右側の測定用電池の電圧に等しくなるはずです。

でもこれって、フツーの電池の並列接続ではないですか?
となると、このとき未知の電池に電流は流れるのではないですか?
次の図と同じことですよね。

ちょっと微妙ですが、流れないとしましょう。

でも、この回路では

未知の電池と右側の測定用電池は

同等ではないでしょうか?
なぜ未知の電池では電流が流れず、

測定用電池は電流が流れるのでしょうか?

ちょっと次の図を想像して下さい。
探針を調整した結果、次の図のとき $E$ に電流が流れていないとします。
探針はほとんど $B$ ですが、あとちょっとだけ線抵抗が残っています。

 

このとき、測定用電池の電圧が未知の電池の電圧よりほんの僅かですが

大きいので、電池 $E$ には電流は流れないはずです。
なので、測定用電池は必ず未知の電池より大きい電圧が必要です。

次の図の並列の電池に話を戻すと、
私達が使う実際の電池では、2つの電池の電圧が全く同じ・・

ということはありません。ほんの少しでも違います。

そのため、並列にしたときは電流を流す電池は片方に決まります。
極端に言えば、もう片方は電流が流れないことになります。

 

もっと厳密に言うと、逆方向に少しだけ電流が流れることになりますね。

でも、小学校の時、

並列接続は電池がより長持ちすると習ったように思います。

片方しか流れないのであれば、電池の持ちは一緒では?

片方の電池が電流を流して電圧が弱ってくると、
それまで電流が流れていなかった電池がかわって電流を流すのです。
イメージとしてはそれらを交互に繰り返すことにより
電池は2個分の寿命があるというイメージです。
しかし、電池は片方ずつ働くので電圧は1個分です。

あ、だから、

電池を並列にしたとき豆電球の明るさは

変わらないけど長持ちするのか!

余談ですが、電池を並列にする場合、

それらの電池に大きな電圧の差があったとします。

 

そうすると、電圧の低い方の電池に逆向きに大きな

電流が流れることになります。

場合によっては電池が破裂するなど危険なこともあるかもしれません。

もう一度水のモデルで考えましょう

未知の電池 $E$ に電流が流れないとき、
イメージとしては、図ののところで押し合いをして、あいこになっているというわけですね。
しかし AB の管の方にも同じ水圧がかかり、そちらへ水(電流)が流れるというイメージです。

 

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まとめ

改めて考えてみると私自身いろいろ気づくこともありました。
この記事で、電位差計でなぜ電流が流れないのか?について、イメージが少しでもできたら幸いです。
イメージなので厳密さを欠くところもあるでしょうがどうかお許し下さい。こちらの記事も参考に

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