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抵抗率と導線の形|引き伸ばすと抵抗が 2 乗で増える理由

直径 、長さ の銅線の抵抗は です。これを引き伸ばして にすると、 になります。

長さが 2 倍だから抵抗も 2 倍、とはなりません。伸ばしたぶん細くなるので、断面積が半分になる。掛け合わせて 4 倍です。

長さと断面積は、抵抗の式の分子と分母に別々に入っています。同時に動く場面では、両方の効き方を掛け合わせます。

長さと断面積で決まる

一様な導線の抵抗は、次の式で決まります[1]。

は抵抗率で、材料だけで決まる量。単位は です。

長い道ほど通りにくく、太い道ほど通りやすい。水が管を流れるときの抵抗と同じ形をしています。

材料から抵抗率を引く

長さを断面積で割る

掛け合わせて抵抗を出す

例:銅線 1 m

直径 の断面積を出します。半径は です。

銅の抵抗率は [1]。

です。回路の抵抗が数十 ある場面なら、導線のぶんは無視できます。

引き伸ばすと 2 乗で効く

金属を引き伸ばしても、体積は変わりません。長さと断面積の積が一定に保たれる。

長さを 倍にすれば、断面積は 倍。抵抗は次のように変わります。

倍に伸ばせば 倍、 倍なら 倍。長さだけを見て 倍と答えると外します。

例:3 倍に伸ばす

の銅線を まで引き伸ばします。

直径のほうも見ておきます。断面積が になるので、直径は 倍の 。

長さ、太さ、抵抗。3 つの変わり方をそろえて確かめると、計算の間違いが見つかります。

体積を固定した式

引き伸ばしの問題は、体積 を使って書き直すと 1 本の式になります。

同じ量の金属を使うかぎり、抵抗は長さの 2 乗に比例する。断面積を消してしまえば、変数が 1 つで済みます。

体積が変わらない場合にかぎり、抵抗は長さの 2 乗 に比例します。

金属を切って短くした場合は違う。体積も減るので、抵抗は長さに比例するだけ。

太さだけを変える場合

長さを変えずに直径だけを 2 倍にすると、断面積は 倍。抵抗は になります。

直径の 2 乗で効くので、わずかな太さの違いが大きく響く。屋内配線で太さを 1 段上げると、損失がはっきり減ります。

変える量抵抗の変わり方倍率の例
長さだけ 2 倍2 倍
直径だけ 2 倍 倍
引き伸ばして 2 倍4 倍

材料で決まる抵抗率

金属どうしを比べると、値は同じ桁に収まります[1]。

銀
銅
金
アルミニウム

銀が最も低いのに銅が使われるのは、値段の差が大きいからです。アルミニウムは銅より抵抗率が高いものの軽いので、送電線では有利になります。

例:延長コードの電圧降下

の延長コードを使います。行きと帰りで ぶんの銅線を電流が通る。

直径 なら断面積は です。

を流すと、電圧降下は 。失われる電力は次のとおり[2]。

コードが温かくなる理由です。細いコードで大きな電流を流すと、この値が跳ね上がります。

例:アルミで銅と同じ抵抗にする

アルミニウムの抵抗率は銅の 倍です[1]。

同じ長さで同じ抵抗にするには、断面積を 倍にすればよい。直径なら 倍です。

銅線が直径 なら、アルミ線は 。太くはなりますが、送電線のように長さが桁違いの場面では、材料の重さのほうが効いてきます。

直径の効き方をグラフで見る

長さを固定して直径だけを動かすと、抵抗は直径の 2 乗に反比例します。

の線は の線の 4 倍の抵抗を持ちます。細い側では、わずかな差が大きく効く。

導電率という裏返しの量

抵抗率の逆数を導電率といいます[1]。

通りにくさで書くか、通りやすさで書くかの違いだけです。銅の導電率は ほど。

材料を比べるときは導電率のほうが直感に合う場面もあります。値が大きいほど電気を通す、という向きになるためです。

温度でも変わる

金属の抵抗率は温度とともに上がります[1,3]。

銅の温度係数は 。 で の線が になるとどうなるか。

3 割ほど増えました。半導体は逆で、温度が上がると抵抗が下がります[3]。

検算のしかた

単位で確かめます。 の単位が 、 が 、 が なので、割り算の結果は になるはず。

倍率の問題では、長さと断面積の変わり方を別々に書き出します。それぞれの倍率を掛け合わせれば、抵抗の倍率が出ます。

桁の見当も立ちます。金属の抵抗率は の桁。 単位の長さと 単位の断面積なら、答えは の前後に落ち着きます。

引き伸ばしたとき、長さの倍率だけで抵抗を出す。
断面積に直径をそのまま使う。半径の 2 乗に を掛けます。
と を混ぜる。 です。
切って短くした場合にも、長さの 2 乗の関係を当てる。
延長コードの長さを、往復ではなく片道で数える。

長さ 、抵抗 の導線を、引き伸ばして長さを にします。抵抗はどうなりますか。

__RESULT__

体積が変わらないので、断面積は になります。長さが 倍で断面積が 倍なので、抵抗は 倍です。 は長さだけを見た場合の答えになります。

長さと断面積を別々に追い、最後に掛け合わせる。引き伸ばしでも切断でも、この手順は変わりません。

参考

Resistivity and Resistance. University Physics Volume 2, OpenStax.
Electrical Energy and Power. University Physics Volume 2, OpenStax.
*Die Wheatstone-Brückenschaltung (E9)*. Physikalisches Praktikum, Universität Bremen.
直径 $1.0\ \mathrm{mm}$、長さ $1.0\ \mathrm{m}$ の銅線は $0.021\ \Omega$。引き伸ばして $2.0\ \mathrm{m}$ にすると $0.086\ \Omega$ で、$2$ 倍ではなく $4$ 倍になります。体積が変わらないので、伸びたぶんだけ断面積が減るためです。体積を使って書き直すと $R = \rho L^2 / V$ になり、変数が長さだけに減る。切って短くした場合は体積も減るので、この関係は使えません。直径だけを $2$ 倍にすると抵抗が $4$ 分の $1$ になること、$20\ \mathrm{m}$ の延長コードで $34\ \mathrm{W}$ が熱になること、温度で $3$ 割動くことまで。