豆球・モーターのつなぎ方

乾電池１個に豆球やモーターをつなぐと，点灯したりモーターが回る。
この当たり前のことが一緒になると複雑になる。

少し勉強や友達についていくことが難しい子が理科室に来た。
理科に興味があるらしい。

その子は，実験準備していたモーターに興味を示した。
「この実験，やったことあるね」と水を注いだ。
すると，豆球やモーターを乾電池に接続して作動することを示していた。
「それじゃ，両方ともつないだらどうなるか」と聞いた。

そこで，実験準備をした。豆球には，LED豆球，
モーターには，キットで余ったモーターを使った。
回路は下図の通り。

結果：　モーターは回らないが，豆球は点灯した。電流が流れていることは検流計によって確かめた。

【質問】：　なぜ，電流が流れているのに，モーターがまわらないのか。

その子の説明：　電流は流れているが，豆球に力をとられモーターを回す力がなくなったと思う。

【質問】：　では，並列につなぎをした。そのときモーターまで回ったのはなぜか。

その子の説明：　豆球とモーターが別々なので，力がとられないので豆球は点灯し，モーターは回る。

【コメント】
ここには，常識とは違う点がある。モーターを回すには電流が必要と思われるが，
豆球を点灯するには電圧が必要と考えられる。結果は違い，単純ではない。
勿論，LEDでなく，通常の豆球で確かめても結果は同じであった。
ところが，その子は難なく説明した。説明は感覚的であるのは仕方ない。

これを解釈するには，RL直列回路の過渡現象を捉えると分かりやすい。
詳しくは微分方程式を解くことになるが，感覚的には重いものと軽いものを手で押すことに似ている。
すなわち，初めに電流を流すと，豆球の抵抗は大きく電圧は小さい。
モーターのコイルは抵抗がないのでそのままの電圧がかかる。
しかし，時間がたつと豆球の抵抗には電圧がかかり，モーターのコイルには電圧がなくなる。
正に，その子が言った「豆球に力が取られる」になる。

2017.6.9 記