教科書(物理) 問28:電流計の内部抵抗

解法

直感的理解

電流計は「電流を測る道具」ですが、電流が中を流れるとき少し抵抗になります。ホースに流量計を取り付けると水の流れが少し弱まるのと同じです。回路全体の抵抗は、抵抗 \(R\) と電流計の内部抵抗 \(r_a\) の和になります。

回路構成の確認:

抵抗 \(R\)〔Ω〕、電源(電圧 \(V\)〔V〕)、電流計(内部抵抗 \(r_a\)〔Ω〕)が直列に接続されている。

回路全体の抵抗:

直列接続なので、合成抵抗は各抵抗の和:

$$R_{\text{全}} = R + r_a$$

オームの法則を適用:

$$I = \frac{V}{R_{\text{全}}} = \frac{V}{R + r_a}$$

電流計は回路に流れる電流をそのまま示すので、電流計の読みも \(I\) である。

数値計算の確認:抵抗 10 Ω に電流 0.50 A が流れるとき、電圧は \(V = IR = 0.50 \times 10 = 5.0\) V、消費電力は \(P = I^2 R = 0.50^2 \times 10 = 2.5\) W です。

関連する基本公式:

$$ V = IR $$
答え:\(\displaystyle I = \frac{V}{R + r_a}\)
補足:電流計の内部抵抗の影響

理想的な電流計は内部抵抗 \(r_a = 0\) ですが、実際の電流計には小さな内部抵抗があります。

電流計がないときの電流は \(I_0 = \dfrac{V}{R}\) ですが、電流計を接続すると \(I = \dfrac{V}{R + r_a} < I_0\) となり、測定値がわずかに小さくなります。

\(r_a \ll R\) のとき影響は無視できますが、\(R\) が小さい回路では誤差が大きくなるので注意が必要です。

Point

電流計は回路に直列に接続するため、内部抵抗 \(r_a\) が回路全体の抵抗に加算されます。正確な測定のためには \(r_a\) ができるだけ小さい電流計を使うことが重要です。オームの法則の適用では、回路内のすべての抵抗(電流計の内部抵抗を含む)を考慮しましょう。