電流計と電圧計のつなぎ方
学習指導要領： KS3, cycle 4, Sek I
目的¶
電流計は回路の一部分に直列に、電圧計は並列につなぐ方法を学びます。
実験装置¶
6 V の電圧源、電流計、100 Ω の抵抗があり、抵抗には電圧計が並列につながれています。計器はDCモードになっています。
手順¶
- 電流計と電圧計の示す値を記録します。
- 部品パネルから2つ目の電流計をドラッグし、ケーブルで抵抗に並列につなぎます。
- 余分な電流計を削除し、電源ボタンで電圧源をオンにします。
- 電流計と抵抗のあいだのケーブルを外して電圧計のケーブルをつなぎ替え（「+」からのケーブルを電流計の出力端子へ、「−」からのケーブルを抵抗の左の端子へ）、電圧計を回路に直列につなぎます。両方の計器の示す値を記録します。
予想される結果
電流計は約 59.6 mA、電圧計は約 5.96 V を示します。並列につないだ電流計は抵抗値がほとんどなく、抵抗を短絡させるので、回路には電圧源の内部抵抗と2つの電流計だけが残ります。電流は 7 A を超え、過負荷保護が電圧源をオフにし、電源ランプが赤く点滅します。余分な電流計を削除して電圧源をオンにすると、示す値は元に戻ります。
直列につないだ電圧計は電圧源の電圧のほぼ全部、約 6.00 V を示し、電流計はほぼゼロ（1マイクロアンペア未満）を示します。電圧計の抵抗値 10 MΩ は抵抗の10万倍もあり、電流をほとんど通さないからです。このとき、抵抗にはほとんど電圧がかかっていません。直列につないだ計器が電圧をすべて「取って」しまうのです。
問題¶
- 電流計の抵抗は小さく、電圧計の抵抗は大きくなければならないのはなぜですか。
- 直列につないだ電圧計が電圧源の電圧に近い値を示すのに、回路の電流がなくなってしまうのはなぜですか。
解答
- 電流計は直列につなぐので、その抵抗は回路に加わり、計器が測る電流を減らさないように小さくなければなりません。ここでは 100 Ω に対して 0.1 Ω です。電圧計は並列につなぐので、測る部分を迂回させて電流の一部を引き込みます。100 Ω に対して 10 MΩ なら、その分は抵抗を流れる電流の約10万分の1です。
- 直列では電圧計の 10 MΩ が 100 Ω の抵抗に加わるので、電流は \(I = U / R\) ≈ 6 V / 10 MΩ = 0.6 µA にすぎません。この電流では抵抗にかかる電圧は約 60 µV だけで、電流計と電圧源ではさらに小さく、6 V のほぼ全部が電圧計にかかります。