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電気回路

AQA · GCSE · Physics · トピック 2

查看幻灯片 練習する
2.1

電気:必要に応じて供給されるエネルギー

スイッチを押すとランプが点く。その瞬きの裏には連なりがある:電位差によって押し出された電荷が、配線や部品を通り、発電所から電球へエネルギーを移動させる。この参考書はAQA GCSE Physics 8463、トピック 4.2 電気をカバーしている。

簡単な質問から始めてください:電池、スイッチ、ランプが直列ループを形成しています。なぜスイッチを開くと持続電流が止まるのか? スイッチを閉じたとき、ランプは電荷を消費するか?

スイッチは導(Path)路を完成させ、セルは電位差を提供する。定常直列ループ内では、ランプの前と後で電流は同じである。ランプはエネルギーを伝達するが、電荷は消費されない。後の計算では、$Q=It$、$E=QV$、$P=VI$、$E=Pt$が関連付けられる。

この参考書は、試験時に提供される標準的な 回路記号 と 物理数式シート を使用します。受験シリーズに発行されたシートを使用し、未来のすべての問題で同じサポートがあるとは仮定せず、式を選び並べ替える練習をしてください。AQA は問題で「電位差」を使用し、「電圧」の正しい使用も受け入れます。静電気と電気場は物理学固有の内容です。

2.1

回路図、電荷と電流

シラバス

回路記号、電気電荷および電流(AQA 8463 記述 4.2.1.1-4.2.1.2)。

  1. 標準記号を用いて回路図を描き、解釈する。
  2. 電荷の流れは、回路が閉じられかつ電位差の源を含む場合にのみ生じる。
  3. 電荷の流れ=電流×時間(Q = It)を用い、時間は秒単位とする。
  4. 電流とは電荷の流れであり、単一の閉じたループ内ではあらゆる点で電流は等しいことを思い出す。

出典: Cambridge International シラバス

回路図は標準的な記号を使用します。これらを熟知してください:電池、バッテリー、スイッチ(開いている、閉じている)、ランプ、抵抗器、可変抵抗器、アンメーター、ボルトメーター、ダイオード、LED、サーミスタ、LDR、ヒューズ。アンメーターは 直列に 接続し、ボルトメーターは部品の 並列に 接続します。

AQAで必要とされる標準的な回路記号をチャート形式で並べたもの。
バッテリーには長/短板の繰り返しを使用し、LDR には光矢印が入り、LED からは光矢印が出ます。

電荷が流れるためには、回路が閉じていることと、起電力の源が含まれている必要があります。電気伝導とは電気的電荷の流れであり、その大きさは流れの速度です:

$$Q = It$$
  • $Q$ 電荷の流れ(クロン),C;$I$ 電流(アンペア),A;$t$ 時間(秒),s。
  • 単一の直列ループ内では、あらゆる点で電流の値は同じです。
  • conventional current(正の電流)は+から−へ流向しますが、電子はその逆方向に流れます。

解法推論:電荷は電流ではない

教員作成: 4.0 C が定常直列回路内で 2.0 s で一点を通過する。電流は秒あたりの電荷の移動量である:

$$Q=It\quad\Rightarrow\quad I=Q/t$$
$$I=Q/t=4.0\ \mathrm{C}/(2.0\ \mathrm{s})=2.0\ \mathrm{A}$$

One ampere means one coulomb per second. The same 4.0 C passes another point of that steady loop in the same 2.0 s. If the same charge takes 4.0 s instead:

$$I=Q/t=4.0\ \mathrm{C}/(4.0\ \mathrm{s})=1.0\ \mathrm{A}$$

同じ電荷に対する時間が倍になると、電流は半分になります。

電荷移動の練習:確認する前に試す

Teacher-written: a charger supplies a constant 0.90 A for 25 minutes. Find charge in coulombs, then predict the effect of doubling the time at the same current.

確認: secondsを使用すること。アンペアは秒あたりのクーロン数を表すためである。

$$t=25\ \mathrm{min}\times60\ \mathrm{s/min}=1500\ \mathrm{s}$$
$$Q=It$$
$$Q=It=0.90\ \mathrm{A}\times1500\ \mathrm{s}=1350\ \mathrm{C}$$
$$Q=It=0.90\ \mathrm{A}\times3000\ \mathrm{s}=2700\ \mathrm{C}$$

同じ電流で時間が倍になると、電荷も倍になります。

実際の試験計算:電荷移動からの電流算出

AQA GCSE Physics June 2024 Paper 1H Q10.3では、2.0 Cの電荷が400 ms間に流れた際にヒューズ線が溶けたとします。確認する前に電流を計算してください。

**確認:**電荷量と時間が既知なので、$Q=It$を使用し、電流について変形した式を用います。

$$\begin{aligned} t&=400\ \mathrm{ms}\times0.001\ \mathrm{s/ms}=0.400\ \mathrm{s}\\ Q&=It\quad\Rightarrow\quad I=Q/t\\ I&=Q/t=2.0\ \mathrm{C}/(0.400\ \mathrm{s})=5.0\ \mathrm{A} \end{aligned}$$

これは公式解答と一致する。教員補足: 400 ms を 400 s と扱うと、分母が 1000 倍大きくなり、電流が 1000 倍小さくなってしまう。代入前に時間単位を確認せよ。

English 日本語
circuit symbols/ˈsɜːkɪt ˈsɪmblz/ 回路記号
charge/tʃɑːdʒ/ 電荷
LDR/ˌel diː ˈɑː/ 光敏抵抗器
alternating/ˈɔːltəneɪtɪŋ/ 交流
direct/daɪˈrekt/ 直流
2.2

電流、抵抗、起電力

シラバス

電流、抵抗、電位差(AQA 8463 記述 4.2.1.3)。

  1. 部品の通過電流は、その抵抗と両端の電位差に依存することを述べる。
  2. 電位差=電流×抵抗(V = IR)をあらゆる方向に適用する。
  3. 与えられた電位差に対して、抵抗が大きいほど電流は小さくなることを思い出す。
  4. 必須実験 3: 一定温度において導線の抵抗が長さ how にどのように依存するかを調べる。メーターの配置、R = V/I、比例グラフ、ゼロ誤差、導線が冷たい状態を維持することを含む。

出典: Cambridge International シラバス

部品を流れる電流は、その両端の起電力と抵抗の両方に依存します:

$$V = IR$$
  • $V$ 起電力(ボルト),V;$I$ 電流(アンペア),A;$R$ 抵抗(オーム),Ω。
  • 抵抗が大きいほど、与えられた起電力に対して電流は小さくなります。

** worked example(例題)。** 0.45 V の起電力によって硬貨を 0.0075 A の電流が流れています。硬貨の抵抗を求めなさい。

  • 既知値:$V$ と $I$;代入する前に式を変形します。
    $$R = \frac{V}{I} = \frac{0.45\ \text{V}}{0.0075\ \text{A}} = 60\ \Omega$$

必須実践 3:導線および抵抗器組み合わせの抵抗

メーター定規に沿ってニクロム線または康銅線の抵抗線を固定します。固定クランプと可動クランプの実際の接点間の選択した長さを測定します。アンメーターはその長さの回路に直列接続し、ボルトメーターは同じ2つの接点間に並列接続します。

電池、スイッチ、アンメーターが選択された導線を通るループを形成し、ボルトメーターは2つのクランプ間に接続され、メーター定規がそれらの距離を測定しています。
A と V は選択したワイヤーの2つのクリップ間で電流と電位差を測定します。

発熱を抑えるため、低い電圧で読み取りの間にはスイッチをオフにします。長さのみを変化させ、導線の素材、断面積、温度は一定に保ちます。各長さについて測定した電圧と電流を記録し、$R = V/I$を計算します。読み取りを繰り返し、不一致のある結果を調査します。

例えば、これらの教師作成の理想的なデータは計算例を示しており、実験測定値ではありません:

長さ / cm 電圧 / V 電流 / A 抵抗 / Ω
20 0.60 0.30 2.0
40 0.80 0.20 4.0
60 0.90 0.15 6.0

一定の温度において、同じ素材かつ同じ断面積であれば、抵抗は導線の長さに比例します。計算した抵抗を長さとプロットすると、原点を通る直線になり、この関係性を裏付けます。各長さでの測定電圧が必ずしも同一である必要はないため、それぞれの paired reading(対となる读数)から抵抗を個別に計算します。

ゼロではない切片については調査が必要です。長さが接点間で測定されているか確認してください。接点やリード線の抵抗も結果に影響を与えます。原因を特定せずにグラフを強制的に原点に通したり、すべての切片を「ゼロ誤差」として差し引いたりしないでください。

In the second part of this practical, connect two equal resistors in series, then in parallel. With the ammeter measuring total current and the voltmeter across the whole combination, measure total potential difference and current and calculate total resistance. Compare with one resistor: series has greater total resistance; parallel has smaller total resistance. For two identical 10 Ω resistors, ideal totals are 20 Ω in series and 5 Ω in parallel. The parallel result can be explained from the doubled total current at the same potential difference, without needing a reciprocal-resistance formula.

探索

One operating point: voltage, current and resistance

$I=\frac{V}{R};\quad P=VI$

At the worked operating point, 6 V across 20 ohms produces 0.30 A and 1.8 W.

English 日本語
Physics Equations Sheet/ˈfɪzɪks ɪˈkweɪʒnz ʃiːt/ 物理式一覧表
potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ 電位差
in series/ɪn ˈsɪəriːz/ 直列接続
in parallel/ɪn ˈpærəlel/ 並列接続
Electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ 電流
resistance/rɪˈzɪstəns/ 抵抗
Ohmic conductor/ˈəʊmɪk kənˈdʌktə/ オーム導体
2.3

抵抗器とI-V特性

シラバス

抵抗器とI-V特性(AQA 8463 記述 4.2.1.4)。

  1. 一部の抵抗器では抵抗が一定であるが、他のものでは電流の変化に伴って抵抗が変わることを説明する。
  2. 一定温度におけるオーム導体のI-Vグラフ、フィラメントランプ、ダイードの特性を説明する。
  3. フィラメントランプのグラフを説明する:電流によりフィラメントが加熱され、抵抗が増加する。
  4. テルミスタの抵抗は温度上昇とともに減少し、サーモスタットへの応用例を挙げる。
  5. LDRの抵抗は光強度の増加とともに減少し、点灯スイッチへの応用例を挙げる。
  6. 必須実験 4: 回路素子のI-V特性を調査する。電位差を変化させ、電源を逆接し、ダイードを保護する方法を含む。

出典: Cambridge International シラバス

必須実践 4 は、各素子 Across の測定電圧範囲における抵抗、filament lamp(白熱電球)、ダイオードへの電流を測定するものです。アンメーターを素子に直列、ボルトメーターを素子に並列に接続します。電圧は可変直流電源または直列接続の可変抵抗器を用いて変化させます。ゼロから始め、素子の定格内を維持します。適切な範囲で対となる读数を記録し、読み取りを繰り返して不一致のある結果を調査します。負の値を得るために電源極性を入れ替える際は、逆極性に対応できるメーターを使用して、その前にスイッチをオフにしてください。縦軸に電流、横軸に電圧をプロットします。

可変直流電源とアンメーターが白熱電球を含む直列ループを形成し、ボルトメーターは白熱電球のみに並列接続されています。
A と V はランプ内の電流と電位差を測定します。

AQA 2023 8463/1H Q06.1のランプ調査において、図6は−6 Vから+6 Vまでを1 V間隔で測定しています。正の値を収集した後、電源を逆接して負の値を得ます。これらの設定は、あらゆる可能な素子ではなく、特定のランプ調査に特したものです。

ダイオードの場合、電流を制限するために適した保護抵抗器を直列接続し、小さな電流を測るためにミリアンメータを使用します。保護抵抗器(ミリアンメータではありません)がダイオードを守ります。ダイオード両端の電圧のみを測定し、保護抵抗器は含めません。オーム性抵抗器の温度はほぼ一定に保ちます。ランプのフィラメント温度の変化は、調査対象である効果の一部です。

三つのI–Vグラフ:一定温度でのオーム性抵抗器、大きな電圧幅で電流の上昇が緩やかになる filament ランプ、逆方向電流が negligible なダイオード。
数値測定グラフではなく、定性的な形状です。すべてのパネルで縦軸は電流です。
  • オーム性導体(一定温度での固定抵抗器):電流は電圧に比例し、抵抗一定である。原点を通る直線。
  • filament ランプ: フィラメント温度の上昇に伴い抵抗が増加します。電圧に対して電流が比例以上には増加しないため、I–V曲線は原点から離れるほど平坦になります。
  • ダイオード: 順方向に導通します。このモデルでは逆方向電流は negligible であり、逆方向抵抗は非常に高いです。すべてのダイオードが全く同じ順方向電圧を持つとは限りません。

選んだ動作点において、$R=V/I$を用いて抵抗を計算します。電流対電圧グラフにおいて、抵抗は傾きではありません。原点を通る直線であれば、傾きは$I/V=1/R$です。曲線の特性曲線については、接線の傾きではなく、選んだ点の座標を使用します。

** worked example, AQA June 2023 8463/1H Q06.2より適宜修正。** +3.0 Vにおいて、公式のランプグラフは約0.16 Aを示します。

$$R = \frac{V}{I} = \frac{3.0\ \text{V}}{0.16\ \text{A}} = 18.75\ \Omega \approx 19\ \Omega$$

6.0 Vにおいて、同様のデータシートは0.21 Aを示します(Q06.3)。教員による拡張として、抵抗を比較してください。

$$R = \frac{V}{I} = \frac{6.0\ \text{V}}{0.21\ \text{A}} \approx 29\ \Omega$$

より大きい抵抗は、より高温のフィラメントと一致します。格子振動の増大により電子の運動が妨げられます。電流はまだ増加しますが、その増加率は電圧の増加率よりも小さいです。

  • サーミスタ: 本类型では、温度上昇に伴い抵抗が低下します。サーモスタット内の温度センサーとして使用されます。
  • LDR: 光強度の上昇に伴い抵抗が低下します。自動照明回路内の光センサーとして使用されます。
サーモスタータの抵抗は温度上昇とともに低下し、LDRの抵抗は光強度の上昇とともに低下する。
これらは環境に対する抵抗変化のグラフであり、I–V特性曲線ではありません。

センサー単体では機器が何时开关するかを指定しません。例えば、LDRの抵抗が高いときにランプをONにするように設定されたコントローラーは、暗所でのみONになります。冷却用コントローラーは、サーミスタの抵抗が温度上昇に伴って低下するときにONになるように設定できます。与えられたコントローラーのルールを述べて、それを通じての変化を追跡してください。センサー両端の電圧が同一である場合に限り、抵抗の低下は$I=V/R$に従った電流の上昇を意味します。直列回路では固定電源であっても、センサー両端の電圧が一定とは限りません。

English 日本語
Filament lamp/ˈfɪləmənt læmp/ 白熱ランプ
Diode/ˈdaɪəʊd/ ダイオード
2.4

直列回路と並列回路

シラバス

直列・並列回路(AQA 8463 記述 4.2.2)。

  1. 直列接続の場合:電流は等しく、電源の電位差は分配され、総抵抗は各抵抗の和であることを述べる。
  2. 並列接続の場合:各素子両端の電位差は等しく、総電流は分岐電流の和であり、2つの抵抗器の総抵抗は最小の個々の抵抗より小さいことを述べる。
  3. 直列に抵抗を増やすと総抵抗が増加し、並列に増やすと減少する理由を定性的に説明する。
  4. 直流直列回路における電流、電位差、抵抗を計算する際、等価抵抗を用いる。

出典: Cambridge International シラバス

直列接続では、構成要素は分岐のないループを共有します。並列接続では、構成要素は同じ2つの接点間の別々の枝に接続されています。電流および電位差の法則を適用する前に、図中の経路を追跡してください。

同じ2つのランプと電池を、アンメーターとボルトメーターの位置を示して直列回路として描いた図と、並列回路として描いた図。
同じ部品でも、ルールは全く異なる。

直列に接続されたコンポーネントについて:

  • 各コンポーネントを流れる電流は等しい;
  • 電源の電圧はコンポーネント間で分担される;
  • 合計抵抗は和となる:$R_{total} = R_1 + R_2$。

並列に接続されたコンポーネントについて:

  • 各素子間の電圧は等しい;
  • 全電流は、分岐回路の電流の和である;
  • 抵抗器が2つ並列に接続された場合の合成抵抗は、単一の抵抗器の中で最小のものよりも小さい。

両方の方向について説明する必要があります。直列に抵抗を加えると、分岐のない導(Path)内に追加の抵抗が生じるため、全体抵抗は増加します。並列に抵抗を加えると、電荷のための新たな経路が開かれるため、同じ電位差でより多くの電流が流れ、全体抵抗は減少します。

2つの並列抵抗器の合成抵抗を計算することは必要ない — 比較して説明すればよい。

解答例。 6.0 V の電池が可変抵抗器(設定値 6.0 Ω )と直列に接続されたランプを駆動している。この動作点におけるランプの抵抗は 12 Ω である。

  • 既知: この動作点における供給電圧および両方の抵抗。電圧の分配を求める際、丸めた電流は使用せず、未丸めの電流を保持してください。
$$\begin{aligned} R_{total} &= R_{lamp}+R_{resistor}=12+6.0=18\ \Omega\\ I &= \frac{V}{R_{total}}=\frac{6.0}{18}=\frac{1}{3}\ \text{A}\approx0.33\ \text{A}\\ V_{lamp} &= IR_{lamp}=\frac{6.0}{18}\times12=4.0\ \text{V}\\ V_{resistor} &= IR_{resistor}=\frac{6.0}{18}\times6.0=2.0\ \text{V} \end{aligned}$$

分配電圧の合計は6.0 Vです。等しい分配電圧となるのは、動作点において抵抗が等しい場合に限ります。直列構成要素が常に電圧を均等に分配するわけではありません。

** 教員作成の固定抵抗器との比較。** 2個の8.0 Ω抵抗器を理想の12 V電源に接続します。直列接続では、$R_{total}=R_1+R_2=16\ \Omega$ および$I=V/R_{total}=0.75\ \text{A}$; 各抵抗器には$V=IR=6.0\ \text{V}$ が掛かります。並列接続では、各枝に12 Vがあるため、各枝の電流は$I=V/R=1.5\ \text{A}$ および$I_{total}=I_1+I_2=3.0\ \text{A}$ です。並列に抵抗をさらに追加すると、別の電流通路が得られ、同じ供給電圧下で全体電流が増加します。ここでは逆抵抗の式は必要ありません。

理想的一定電圧源に接続された並列回路において、ある分岐を断ち切るとその分岐の電流はゼロになるが、他の分岐には同じ電圧がかかる。直列経路が唯一の場合、その経路を断つと両方の素子に電流が流れなくなる。負荷下で電源電圧が変化する場合は、他の分岐の電流も変化しないとは限らないことに注意すること。

統合された worked example、AQA June 2024 8463/1H Q05.5 より適応。 20 °C における問題のサーミスタグラフは約 80 Ω を示します。これは 400 Ω の抵抗器と直列に 12 V の電圧源に接続されています。サーミスタ間の電位差を求めなさい。

$$R_{total} = R_{fixed} + R_{thermistor} = 400 + 80 = 480\ \Omega$$
$$I = \frac{V_{supply}}{R_{total}} = \frac{12}{480} = 0.025\ \text{A}$$
$$V_{thermistor} = IR_{thermistor} = 0.025\times80 = 2.0\ \text{V}$$

固定抵抗器には残りの10 Vがかかる。この例では上記のグラフ読み取り値を使用しているが、本番の試験問題ではResistanceもグラフから読み取る必要がある。一定の電源電圧であっても、サーミスタ間の電圧が必ずしも電源電圧と等しくなるわけではない。

English 日本語
Thermistor/ˈθɜːmɪstə/ サーミスタ
2.5

家庭用用途と安全性

シラバス

家庭用途と安全(AQA 8463 記述 4.2.3)

  1. 市電は周波数 50 Hz、電圧が約 230 V の交流電源であることを述べよ。
  2. 直流電圧と交流電圧の違いを説明せよ。
  3. 絶縁被覆の色で活線・中性線・アース線の区別をつけ、それぞれの役割を述べよ。
  4. 市電回路のスイッチが開いている場合でも、なぜ活線が危険であるかを説明せよ。
  5. 活線とアース線の間に接続を与えたときの危険性を説明せよ。

出典: Cambridge International シラバス

イギリスの市販電力は交流(ac)であり、電位差が反復して極性を変化させる。周波数は50 Hzであり、1秒間に50回の完全な周期があることを意味し、表示される電位差は約230 Vである。電池は一方の極性を持つ**直流(dc)**の電位差を提供する。直流電位差は必ずしも大きさが完全に一定である必要はなく、方向が逆転することはない。

定性的な電位差対時間グラフ:50 Hzの交流は極性を交互に変化させ、電池の例は正の値を維持する。
定性的な電圧スケール:曲線は 230 V をピークとしてプロットしていない。1周期 50 Hz は 20 ms 続く。

実際の試験回想: AQA 6月 2024 8463/1H 問題05.1 はイギリスの商用周波数と電圧を問う:50 Hz および 230 V 。每秒50サイクル=毎秒50回方向転換ではない。正弦波周期は正の半周期と負の半周期を含む。

3芯ケーブルの断面図:茶色/活線が左下の芯へ、青/ニュートラルが右下の芯へ、緑黄色/アースが上部の芯へと導いている。
絶縁被覆の色は、それぞれの矢印で示されている。
配線 絶縁被覆の色 通常の役割と電位
ライブ 茶色 交互電流を供給;大地に対して約 230 V。
ニュートラル 青 通常の回路を完成させます;大地のポテンシャル付近、約 0 V。
アース 緑と黄色のストライプ 露出した金属ケースへの保護接続;通常モデルでは約 0 Vで、通常負荷電流は流れません。

ニュートラルとアースはどちらも通常アース電位に近いにもかかわらず、異なる役割を持つ。ニュートラルは通常負荷電流を運び、保護アースは故障電流用の経路を提供する。

オープンスイッチがすべての活線配線を無害にする理由ではない

開いたスイッチがランプへのライブ経路を遮断しており、点 A は供給側、点 B は負荷側にあります。
ラベル付きの電源側および負荷側の点を持つ開いたライブスイッチ。

この理想的な回路において、開いたスイッチはランプ電流を遮断します。点Aは仍然にライブ電源に接続されており、大地に対して約 230 Vです。そのライブ点から大地へ導通接続を行うと、感電する可能性があります。消灯している機器だからといって、回路の全部分が絶縁されているとは推論しないでください。これは、正しく配線された開いたライブスイッチの後の点Bもまた依然としてライブである必要はないことを意味します。

危険性は、人体を通る電流、その経路、および持続時間に依存する。人体は零抵抗の導線ではないが、一般的な機器用ヒューズの定格電流よりもずっと小さい電流でも重傷を負うことがある。機器用ヒューズは、活線配線に触れた際の保護を保証するものではない。

金属筐体の故障における保護アースとヒューズ

教室での故障モデルについて、活線が健全な保護アース接続のある露出した金属筐体に接触したと仮定する。アース導体は低抵抗の故障経路を提供し、結果として発生する大電流が活線内の適切な定格ヒューズを加熱・溶断させ、活線電源を遮断する。このアース接続がない場合、筐体が活線化してもヒューズを動作させるほどの電流は流れない。ヒューズによる過電流に対する保護は、あらゆる可能な感電電流をヒューズで吹かせるという主張とは異なる。

破損されたニュートラル故障の評価

教員作成の理想モデル: ランプが単相のライブ線とニュートラル線に接続されている。ニュートラル接続がランプと電源の間に切断される。下流側のニュートラル端子はランプを介してライブ側に接続されたままとなり、他の帰路はない。通常の負荷電流は流れないが、その下流側の端子はライブ電位になることがある。

状態 ライブ対アース間電圧 負荷側ニュートラル対アース間電圧 ランプ間電圧
通常 およそ 230 V およそ 0 V およそ 230 V
ニュートラル帰路断線 およそ 230 V およそ 230 V およそ 0 V

This ideal model explains an unlit lamp with a dangerous downstream terminal. Both lamp terminals are at approximately the same potential, so the lamp pd is near zero; either can still have a large pd relative to earth. It is inconsistent to assign 230 V both across this unlit ideal lamp and from each of its terminals to earth in the stated single-phase model.

2.6

エネルギー移動:電力と機器

シラバス

機器における電力とエネルギー移動(AQA 8463 記述 4.2.4.1-4.2.4.2)

  1. 電力=電圧×電流(P = VI)、および電力=電流の二乗×抵抗(P = I^2 R)を用いること。
  2. 機器での電力移動が、その端子間の電圧、通過する電流、および時間あたりのエネルギー移動とどのように関係するか説明せよ。
  3. 移動したエネルギー=電力×時間(E = Pt)、および移動したエネルギー=電荷移動量×電圧(E = QV)を用いること。時間は秒単位とする。
  4. 家庭用機器が運動エネルギー、熱、または光にエネルギーを移動させる様子を示し、定格出力が使用中の保存エネルギーの変化とどう関連するか述べよ。

出典: Cambridge International シラバス

電気機器はバッテリーまたは主電源からエネルギーを転送する。モーターは機械的に運動物体へエネルギーを転送し、ヒーターは周囲環境の熱エネルギー貯蔵庫へエネルギーを転送する。電力とはエネルギー転送の速度のことである: 1 W は每秒 1 J を意味する。定格値は指定された動作電圧におけるこの速度を示しており、消費総エネルギーではない。

既知量 式 目標
電圧と電流 $P=VI$ 電力(W)
電流と抵抗 $P=I^2R$ 抵抗発熱電力(W)
電力と時間 $E=Pt$ エネルギー(J)
電荷と電圧 $E=QV$ エネルギー(J)

ワットと秒を用いてジュールを得る。これらの式にはアンペア、ボルト、オーム、クーロンを用いる。抵抗モデルにおいて、$V=IR$ を $P=VI$ に代入すると $P=(IR)I=I^2R$ が得られる。電流が未知の場合、$I^2=P/R$ を変形して平方根を取る:$I=\sqrt{P/R}$ であり、$P/R$ ではない。

** worked example — AQA June 2023 8463/1H Q06.3.** ランプに0.21 A の電流が6.0 V で30 分間流れている。転送されたエネルギーを計算せよ。電流と電圧から電力を求め、電力と時間からエネルギーを求める。

時間を変換:$30\ \text{min}=30\times60\ \text{s}=1800\ \text{s}$。

$$\begin{aligned} P&=VI=6.0\ \text{V}\times0.21\ \text{A}=1.26\ \text{W}\\ E&=Pt=1.26\ \text{W}\times1800\ \text{s}=2268\ \text{J}\approx2300\ \text{J} \end{aligned}$$

** 電荷を用いた代替ルート。** 同じ電流と時間で電荷を求め、各クーロンあたりランプを横切って6.0 J が転送される。

$$\begin{aligned} Q&=It=0.21\ \text{A}\times1800\ \text{s}=378\ \text{C}\\ E&=QV=378\ \text{C}\times6.0\ \text{V}=2268\ \text{J} \end{aligned}$$

両ルートは一致しており、公式解答表でも採用される。最終的な答えまで中間値を保持し、エネルギーにはJを、Wではないで記すこと。

Worked example — AQA June 2025 8463/1H Q09.2. The question gives pump-motor power 4.86 W and resistance 6.0 Ω and asks for charge flow in 30 minutes. Use the question's prescribed $P=I^2R$ model; this is not a general statement that all electrical input to a real running motor is resistance heating. Power and resistance give current; current and time give charge.

$$\begin{aligned} I^2&=\frac{P}{R}=\frac{4.86\ \text{W}}{6.0\ \Omega}=0.81\ \text{A}^2\\ I&=\sqrt{\frac{P}{R}}=\sqrt{\frac{4.86\ \text{W}}{6.0\ \Omega}}=0.90\ \text{A}\\ Q&=It=0.90\ \text{A}\times1800\ \text{s}=1620\ \text{C} \end{aligned}$$

Compare power ratings — teacher-written. Two devices transfer the same 120 kJ of input energy at constant powers 1.0 kW and 2.0 kW. Convert 120 kJ to 120 000 J and kW to W before using $t=E/P$.

一定1.0 kW および2.0 kW の装置に対する入力エネルギー対時間グラフ:同じ120 kJ が120 s および60 s で転送される。
急勾配の線はエネルギーをより速く伝達する。両端点は等しいエネルギーを示すが、所要時間は異なる。
$$\begin{aligned} t_{1}&=\frac{E}{P_1}=\frac{120\,000\ \text{J}}{1000\ \text{W}}=120\ \text{s}\\ t_{2}&=\frac{E}{P_2}=\frac{120\,000\ \text{J}}{2000\ \text{W}}=60\ \text{s} \end{aligned}$$

At the same run time, the 2.0 kW device transfers twice the energy. For the stated equal input energy, it takes half the time. A greater rating alone does not prove a greater total energy use or total cost for a job: duration and, for useful output, efficiency matter. For the same material and amount of water, a larger useful heating power raises temperature faster when losses are comparable.

2.7

国家送電網

シラバス

高圧送電網(AQA 8463 記述 4.2.4.3)

  1. 発電所と消費者をケーブルや変圧器で結ぶシステムとして高圧送電網を説明せよ。
  2. 昇圧変圧器は送電電圧を上昇させ、降圧変圧器は家庭用電圧を下げることを述べよ。
  3. P = VI およびケーブルの電力損失 P = I^2 R を用いて、高圧送電網がエネルギー移送において効率的な方法である理由を説明せよ。

出典: Cambridge International シラバス

National Grid は、電力発電所から送電線および変圧器を通じて電気エネルギーを消費者へ伝達する。

システムレベルのルート:電力発電所、昇圧変圧器、送電ケーブル、降圧変圧器、消費者。
矢印は個別の回路ワイヤではなく、システムのエネルギー伝達ルートを示している。

昇圧変圧器 は送電前に電位差(pd)を上昇させる。ラインへの入力電力が一定であれば、送電側の電位差が高いほど電流は小さくなる:$I=P_{\text{in}}/V$。同じケーブル抵抗的情况下、発熱損失 $P_{\text{loss}}=I^2R$ は小さくなる。入力のうちより多くのエネルギーが消費者に届くため、効率が向上する。損失は減少しても、完全に消失するわけではない。

降圧変圧器 は送電線の電位差を下げ、消費者用として扱う;英国の家庭用機器には約230 Vが使用される。これは送電電圧よりも低く適切な値だが、依然として危険な感電を引き起こす可能性がある。変圧器の構造と動作原理はトピック4.7で習うが、本節ではシステムレベルでの役割について説明する。

実際の試験解説 — AQA June 2022 8463/1H Q06.1–06.2. 出題紙では、送電ケーブルの手前に変圧器X、消費者の手前に変圧器Yを配置している。Xは電位差を上げ、電流を減らし、周囲への熱伝達を抑制し、送電効率を高める。Yは消費者にとって安全な値まで電位差を下げる。Xの説明として単に「効率が良い」と述べるのではなく、物理的な因果関係を記述すること。

2つの送電側電位差を比較する

教員作成の簡易比較。 送電側入力電力を500 kW、ケーブル総抵抗を2.0 Ωに固定する。送電側電位差10 kVと20 kVを比較する。簡易的な単相抵抗モデルおよび理想変圧器を用いるが、実際の三相英国送電網の計算ではない。kWとkVをWとVに変換すること。

10 kVの場合:

$$\begin{aligned} I_1&=\frac{P_{\text{in}}}{V_1}=\frac{500\,000\ \text{W}}{10\,000\ \text{V}}=50\ \text{A}\\ P_{\text{loss},1}&=I_1^2R=(50\ \text{A})^2\times2.0\ \Omega=5000\ \text{W} \end{aligned}$$

20 kVの場合:

$$\begin{aligned} I_2&=\frac{P_{\text{in}}}{V_2}=\frac{500\,000\ \text{W}}{20\,000\ \text{V}}=25\ \text{A}\\ P_{\text{loss},2}&=I_2^2R=(25\ \text{A})^2\times2.0\ \Omega=1250\ \text{W} \end{aligned}$$

Twice the sending pd gives half the current and one quarter of the cable loss. Input power is unchanged; output power increases because less is lost. A current-and-resistance calculation gives the loss, but cannot by itself give efficiency: total input power or energy is also needed.

Sheet 2.7 comparison. At 2000 A through 40 Ω, $P_{\text{loss}}=I^2R=(2000\ \text{A})^2\times40\ \Omega=1.6\times10^8\ \text{W}$. At 500 A through the same resistance, $P_{\text{loss}}=I^2R=(500\ \text{A})^2\times40\ \Omega=1.0\times10^7\ \text{W}$. Current is one quarter, so loss is one sixteenth. Without a stated input, do not claim these losses are a small percentage of the total.

実際の効率計算 — AQA June 2023 8463/1H Q01.5. 入力は34.2 GJ、効率は0.992である。$\eta=E_{\text{useful}}/E_{\text{in}}$ を用いて式を変形してから数値を代入する。ここでは両方のエネルギー単位がGJであるため、Jへの変換は不要である。

$$E_{\text{useful}}=\eta E_{\text{in}}=0.992\times34.2\ \text{GJ}=33.9264\ \text{GJ}\approx33.9\ \text{GJ}$$

English 日本語
National Grid/ˈnæʃənl ɡrɪd/ 国家电网
step-up transformer/step ʌp trænsˈfɔːmə/ 昇圧トランスフォーマー
step-down transformer/step daʊn trænsˈfɔːmə/ 降圧トランスフォーマー
2.8

静電気(物理のみ)

シラバス

静電気、物理のみ(AQA 8463 記述 4.2.5)

  1. 絶縁体の摩擦による電子の移動が等量かつ逆符号の電荷を生み出すことを説明せよ。
  2. 帯電物体間の力:同極は反発し、異極は吸引する非接触力であることを説明せよ。
  3. 表面の摩擦による静電気の発生とスパークの生じ方を説明せよ。
  4. 孤立した帯電球の静電気場パターンを描け。
  5. 電場の概念を説明し、それが電荷間の非接触力や放電(スパーク)をどのように説明するかを述べる。

出典: Cambridge International シラバス

二つの絶縁体を擦り合わせると、電子(負の電荷)が片方から他方へ移ります:

  • 電子を得た素材は負に帯電します;
  • 電子を失った物質は、等しい正の電荷を残す。

帯電物体は接触せずに力を及ぼす:同種電荷は反発し、異種電荷は吸引する — これは非接触力である。大きな電位差は小さな空気隙間に強い電気場を生じさせる。場が強すぎると、空気は導体となり(絶縁破壊)、一時的にスパークとして電荷が隙間を横切って流れる。接地された導体はスパークを受け取ることができ、接地は近接した高電圧源を取り除くものではない。

帯電物体は自身の周囲に電気場を作り出す:他の電荷が力を受ける領域である。

摩擦による帯電は電子を移動させます;正の球体には放射状の場が生じます。 電子は動きます;場が力の方向を示します。 場は物体に近いほど強く、遠ざかるほど弱くなります。

孤立した帯電球体の場パターンを描く必要があります:正の電荷からは外へ向かう直線的な放射線(または負の電荷へ向かう)、球体から離れるにつれて間隔が広がるように描くこと。

説明を実際の試験問題に結びつける

AQA June 2022 8463/1H Q05.1: 電子は布から棒へ移動します。電子は負電荷なので、布には過剰な正電荷が残ります。正電荷の移動として記述してはいけません。Q05.4: 大きな電位差により空気破壊が生じることがあります;電子は負の棒からアースされた導体へと空気中を流れます。

AQA June 2024 8463/1H Q04.1–04.3: 電子が生徒に移動し、彼女の髪の毛は同じ負電荷を持ち、同種電荷は反発します。 electric field(電場)とは、別の電荷物体が力を受ける領域であり、その強さは距離とともに減少します。

Q04.4: 火花が0.60 Jのエネルギーを2.0 マイクロクーロン分の電荷で移動させる。$Q=2.0\times10^{-6}\ \mathrm{C}$ に変換せよ。$E=QV$ を選び、式を変形して解け:

$$V=E/Q=0.60\ \mathrm{J}/(2.0\times10^{-6}\ \mathrm{C})=3.0\times10^5\ \mathrm{V}$$

Neutral-object extension for sheet 2.8. A charged rod can attract neutral paper because it slightly separates positive and negative charge within the paper. The nearer opposite charges feel stronger attraction than the repulsion of the further like charges. In an insulating wall, bound charges shift slightly; do not assume electrons flow freely through it. Attraction alone does not prove opposite net charges. In the sheet's rod question, all rods are stated to be charged, so the unlike-charge rule applies.

English 日本語
electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ 電気場
2.8

このトピックの学習完了チェックリスト

  • 標準記号を描き、アンメーターは直列に、ボルトメーターは並列に配置すること。
  • $Q = It$, $V = IR$, $P = VI$, $P = I^2R$, $E = Pt$, $E = QV$ を用いる——問題の語彙の中から選択すること。
  • Describe RP3: $R \propto L$, controls, intercept and heating checks; RP4: circuits and I–V shapes.
  • 直列・並列における電流、電圧、抵抗の法則を述べる;抵抗の変化傾向を説明する。
  • 家庭用交流電源:230 V、50 Hz、交流;配線の色と役割を述べる;活線の危険性を説明する。
  • 国家グリッドの効率を $P = I^2R$ とともに説明すること。
  • (物理のみ)電子を用いた摩擦帯電の説明と、帯電球体の放射状の場の図を描くこと。

一般的なミス

  • 電流がランプによって使われると言う。直列回路では電流はどこでも同じであり、エネルギーが移動しているだけで電荷ではない。
  • 並列接続の抵抗器を直列のように加算する。並列接続の抵抗器の合成抵抗は、小さい方の抵抗器よりも低い。
  • ボルトメーターを直列、アンメーターを並列に入れる。アンメーターはループ内に、ボルトメーターは部品の両端に接続する。
  • 電流をmAで、時間を分単位で扱う: $75\ \text{mA} = 0.075\ \text{A}$, $30\ \text{min} = 1800\ \text{s}$。
  • 電力とエネルギーの混同。 $P = VI$ はワットを示すので、ジュールにするには $E = Pt$ または $E = QV$ が必要。
  • センサーの傾向を逆に見誤る。サーミスタの抵抗値は温度上昇に伴い減少し、LDRの抵抗値は光強度増加に伴い減少する。
  • 接地線が常に電流を運ぶと誤解する。接地線に電流が流れるのは、活線が金属筐体に接触した故障時だけである。

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