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電池を直列にすべきか並列にすべきか?境目は外部抵抗と内部抵抗が等しい点

起電力 、内部抵抗 の電池が 4 個あります。 の負荷につなぐなら直列で 、並列だと しか出ません。

負荷を に変えると、立場がそっくり入れかわります。直列が 、並列が

境目は の 1 点です。電池の個数がいくつでも、この位置は動きません。

つなぎ方で 2 つの量が動く

電池をつなぐと、起電力と内部抵抗の両方が変わります[1]

同じ電池を 個直列にすれば、起電力は に、内部抵抗も になる。並列なら起電力は のままで、内部抵抗が に下がります。

外部抵抗 をつないだときの電流は、それぞれ次の形です。

起電力と内部抵抗が何倍になるかを書く

外部抵抗を足して全抵抗を出す

電流を出し、 で負荷の電力を求める

例:外部抵抗が 10 Ω

とします。

直列なら起電力 、内部抵抗

並列なら起電力 、内部抵抗

倍近い差が付きました。外部抵抗が大きいときは、電圧を稼ぐほうが効きます。

例:外部抵抗が 0.1 Ω

同じ電池で負荷だけを変えます。

直列は で、

並列は で、

さきほどと同じ 2 つの値が、そっくり入れかわりました。内部抵抗が全抵抗を支配する場面では、それを下げるほうが効きます。

境目は R と r が等しい点

2 つの電流の式を等しいと置きます。

両辺を整理すると、次の形になります。

なら 。個数 が消えました。

交点の位置が によらない、という結果は 電池を何個そろえても境目が動かない ことを意味します。

4 個でも 100 個でも、判断の基準は「負荷が電池 1 個の内部抵抗より大きいか」の 1 点だけになる。

の電池なら、負荷が より大きければ直列、小さければ並列。乾電池と豆電球の組み合わせは前者、セルモーターのような低抵抗の負荷は後者です。

最大の電力はどちらでも同じ

負荷を自由に選べるなら、どちらのつなぎ方でも同じ値まで引き出せます。

直列では のときに最大で、その値は次のとおり。

並列では のときに最大です。

一致しました。電池が 個あれば 倍の電力を引き出せて、つなぎ方は関係ありません[3]

変わるのは、そろえるべき負荷のほうです。直列なら 、並列なら

つなぎ方起電力内部抵抗最大電力を出す負荷
1 個
4 個直列
4 個並列

例:1 個を逆向きにつなぐ

4 個直列のうち 1 個の向きを逆にします。起電力は打ち消し合って

内部抵抗のほうは向きに関係なく足されるので、 のままです。

正しくつないだ場合の半分になりました。逆向きの 1 個は、電流の向きに逆らうので充電される側に回ります。

内部抵抗の違う電池を並列にすると

起電力 の電池と の電池を並列につなぎます。どちらも内部抵抗は とします。

外部に何もつながなくても、2 つの電池のあいだで電流が流れます。

端子の電圧は 。強いほうが弱いほうを充電している状態です。

新しい電池と古い電池を混ぜて使うと減りが早いのは、この電流が内部で熱になるためです。

同じ電池を並列にする

循環する電流は流れない。内部抵抗だけが下がる

違う電池を並列にする

起電力の差が電流を生む。外へ出ないぶんは熱になる

例:直列の本数を増やしていく

を固定したまま、直列につなぐ電池の数を増やします。

なら なら

増やすほど電流は伸びますが、伸び方は鈍っていきます。 を無限に大きくしたときの極限を見ます。

が天井でした。電池を何個つないでも、電池 1 個を短絡したときの電流を超えられません。

内部抵抗も一緒に増えるためです。電圧を稼いでも、そのぶん通りにくくなる。

例:直列と並列を組み合わせる

6 個の電池を、3 個直列の組を 2 つ作って並列にします。起電力は 、内部抵抗は

6 個すべてを直列にした場合と比べます。起電力 、内部抵抗

全直列のほうが上でした。負荷の が電池 1 個の内部抵抗より大きいので、境目の判定どおりです。

負荷が内部抵抗より大きい

できるだけ直列にする。電圧を稼ぐほうが効く

負荷が内部抵抗より小さい

できるだけ並列にする。内部抵抗を下げるほうが効く

負荷が内部抵抗と同じ

どうつないでも電流は変わらない。組み合わせ方は自由

検算のしかた

全抵抗が より必ず大きいかを見ます。内部抵抗を足し忘れると、電流が大きく出すぎます。

極端な場合に戻すのも早い。 の理想電池なら、直列は必ず有利で並列は 個と変わりません。式にそう出るかを確かめます。

電力の合計も確かめられます。電池が出す全電力 または から、内部で熱になるぶんを引くと負荷の電力になるはず。

並列につないだとき、起電力も 倍になると考える。
直列につないだとき、内部抵抗が 分の 1 になると考える。
負荷が小さいときにも直列が有利だと決めつける。
逆向きの電池について、内部抵抗まで引き算する。
違う電池を並列にしたとき、電流が流れないと考える。

起電力 、内部抵抗 の電池 3 個を、 の負荷につなぎます。有利なつなぎ方はどれですか。

  • 並列
  • 直列
  • どちらでも同じ
__RESULT__

負荷の が電池 1 個の内部抵抗 より小さいので、並列が有利です。並列なら内部抵抗が に下がり、電流は 。直列だと にとどまります。

負荷が電池 1 個の内部抵抗より大きいか小さいか。判断はこの 1 点で足ります。

参考

Richard Fitzpatrick. *Emf and Internal Resistance*. Electromagnetism and Optics, The University of Texas at Austin.
Resistors in Series and Parallel. University Physics Volume 2, OpenStax.
Eric Hiob. *Maximum Power Transfer in a Circuit*. 6.101 Introductory Analog Electronics Laboratory, MIT OpenCourseWare.
起電力 $1.5\ \mathrm{V}$、内部抵抗 $1\ \Omega$ の電池 4 個を $10\ \Omega$ につなぐと、直列で $1.84\ \mathrm{W}$、並列で $0.21\ \mathrm{W}$。負荷を $0.1\ \Omega$ に変えると 2 つの値がそっくり入れかわります。2 つの電流の式を等号でつなぐと $(n-1)R = (n-1)r$ になり、個数が消えて $R = r$ だけが残る。何個そろえても判断の基準は動きません。負荷を選べる場合の最大電力はどちらも $nE^2/(4r)$ で同じ。直列を無限に増やしても電流が $E/r$ で頭打ちになることや、違う電池を並列にすると内部で循環電流が流れることまで。