応用問題406 抵抗率

設問(1) 抵抗値の比較

直感的理解
$V$-$I$ グラフで傾きが急な方が抵抗値が小さく傾きが緩やかな方が抵抗値が大きい。グラフからBの方が同じ電圧でも電流が小さい = Bの方が抵抗値が大きい

$V$-$I$ グラフで直線の傾きが緩やかな方が抵抗値が大きい。Bの方が同じ電圧で流れる電流が小さいので:

答え:
Bの方が抵抗値が大きい。

設問(2) 太さが同じとき、BはAの何倍の長さか

直感的理解
同じ材質・同じ太さなら、$R = \rho l / S$ で $\rho, S$ が共通なので $R \propto l$(長さに比例)。抵抗値の比がそのまま長さの比になります。

グラフから抵抗値を読み取ります:

Aのグラフ:$V = 2.0\;\text{V}$ のとき $I = 0.20\;\text{A}$

$$R_A = \frac{V}{I} = \frac{2.0}{0.20} = 10 \text{ }\Omega$$

Bのグラフ:$V = 7.0\;\text{V}$ のとき $I = 0.20\;\text{A}$

$$R_B = \frac{V}{I} = \frac{7.0}{0.20} = 35 \text{ }\Omega$$

太さ(断面積 $S$)が同じで材質も同じなら $\rho, S$ が共通なので $R = \rho l / S$ より $R \propto l$:

$$\frac{l_B}{l_A} = \frac{R_B}{R_A} = \frac{35}{10} = 3.5$$
答え:
$$\text{BはAの } 3.5 \;\text{倍}$$
Point

$R = \rho l/S$ で、共通パラメータを消去する。断面積が同じなら $R \propto l$。

設問(3) 長さが同じとき、Bの直径はAの何倍か

直感的理解
長さが同じなら $R \propto 1/S \propto 1/d^2$。Bの方が抵抗が大きい = Bの方が断面積が小さい = Bの方が細い。直径の比は抵抗比の平方根の逆数です。

長さ $l$ が同じで材質も同じなら $R = \rho l / S$ で $\rho, l$ が共通なので:

$$R \propto \frac{1}{S}$$

断面が円なので $S = \pi(d/2)^2 = \pi d^2/4$。よって $R \propto 1/d^2$。

$$\frac{R_B}{R_A} = \frac{d_A^2}{d_B^2} \quad \Longrightarrow \quad \frac{d_B^2}{d_A^2} = \frac{R_A}{R_B}$$

数値代入:

$$\frac{d_B}{d_A} = \sqrt{\frac{R_A}{R_B}} = \sqrt{\frac{10}{35}} = \sqrt{\frac{2}{7}} = \frac{\sqrt{14}}{7} \fallingdotseq 0.535$$
答え:
$$\frac{d_B}{d_A} = \sqrt{\frac{2}{7}} = \frac{\sqrt{14}}{7} \fallingdotseq 0.535 \;\text{倍}$$
Point

円形断面の導線では $S \propto d^2$ なので $R \propto 1/d^2$。直径の比を求めるときは抵抗比の平方根の逆数をとる。

設問(4) 抵抗率の計算

直感的理解
抵抗率は「材質固有の抵抗のしやすさ」を表す物性値です。$R = \rho l/S$ を $\rho$ について解き、Bの数値を代入すれば求まります。

$R = \rho l/S$ を $\rho$ について解くと:

$$\rho = \frac{RS}{l}$$

Bの値を代入($R_B = 35\;\Omega$、$S = 0.11\;\text{mm}^2 = 0.11 \times 10^{-6}\;\text{m}^2$、$l = 1.0\;\text{m}$):

$$\rho = \frac{35 \times 0.11 \times 10^{-6}}{1.0} = 3.85 \times 10^{-6} \fallingdotseq 3.9 \times 10^{-6} \text{ }\Omega\cdot\text{m}$$
答え:
$$\rho \fallingdotseq 3.9 \times 10^{-6} \;\Omega\cdot\text{m}$$
補足:直列と並列の見分け方

2つの抵抗の両端が同じ2つの節点に接続されていれば並列、一方の抵抗を通った電流がそのまま次の抵抗に入れば直列です。

Point

$\rho = RS/l$ で抵抗率を求める。単位は $\Omega\cdot\text{m}$。$S$ の単位換算($\text{mm}^2 \to \text{m}^2$)に注意。$1\;\text{mm}^2 = 10^{-6}\;\text{m}^2$。