教科書(物理) 問27:並列接続の合成抵抗

解法

直感的理解

並列接続では、電流が2つの道に分かれて流れます。水路に例えると、2本の水路を並べれば水は両方を同時に流れるので、全体として流れやすくなります。つまり並列接続の合成抵抗は、個々の抵抗よりも小さくなります。30 Ω と 20 Ω の並列なら、20 Ω よりも小さい値になるはずです。

Step 1:並列接続の公式

並列接続では、合成抵抗の逆数が各抵抗の逆数の和になります:

$$ \frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} $$

Step 2:数値の代入

$$ \frac{1}{R} = \frac{1}{30} + \frac{1}{20} = \frac{2}{60} + \frac{3}{60} = \frac{5}{60} $$

Step 3:逆数を取る

$$ R = \frac{60}{5} = 12 \text{ Ω} $$
答え:
AB間の合成抵抗は \(R = 12\) Ω
別解:「和分の積」公式を使う方法

2本の抵抗の並列接続には、便利な公式があります:

$$ R = \frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2} $$

これに代入すると:

$$ R = \frac{30 \times 20}{30 + 20} = \frac{600}{50} = 12 \text{ Ω} $$

この「和分の積」公式は2本の場合のみ使えます。3本以上の並列では逆数の和の公式を使いましょう。

補足:並列接続で合成抵抗が小さくなる理由

並列接続では電流の通り道が増えるため、全体として電流が流れやすくなります。合成抵抗は必ず個々の抵抗の最小値より小さくなります。今回の場合、R₂ = 20 Ω が小さい方ですが、合成抵抗 12 Ω はそれよりもさらに小さくなっています。

シミュレーションでも、抵抗が小さい下の枝(20 Ω)の方が電子の流れが速い(電流が大きい)ことが確認できます。

Point

並列 = 逆数の和! 並列接続の合成抵抗は「逆数の和の逆数」で求めます。2本なら「和分の積」公式 \(R = \frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2}\) も便利です。合成抵抗は必ず各抵抗の最小値より小さくなることを覚えておきましょう。