内部抵抗

内部抵抗の概要

内部抵抗とは、電源や電気計器などにおいて見られる電気抵抗のことを指し、電気素子や配線に見られる抵抗とは異なります。特に、大電流を必要とする機器では内部抵抗の影響が極めて大きくなり、出力電圧の低下に寄与するため無視することができません。また、電池以外の一般的な電源については、出力インピーダンスという名称で知られることが多いです。

電池の内部抵抗

電池における内部抵抗は、その特性を理解する上での重要な要素です。理論上の起電力を E (V)、実際の出力電圧を V (V) とした場合、電流が流れない時は V = E となりますが、負荷を接続すると V < E になります。この現象は、電池の内部にある抵抗 r (Ω) によるもので、電流 I (A) が流れる際、オームの法則に基づく抵抗による電圧降下が生じます。実際の出力は V = E - (r × I) となります。

電池の内部抵抗には、材質に由来するオーミック抵抗と、化学反応速度限界による反応抵抗が存在し、この組み合わせが電池の性能に大きな影響を及ぼします。電池が消耗すると、起電力自体は変わらなくても内部抵抗が増加し、それに伴って出力電圧が低下します。

内部抵抗と出力インピーダンス

電池の内部抵抗は負荷と直列に接続された抵抗とみなすことができ、これによる電圧降下は電流の大きさによって変動します。内部抵抗は電池の種類によって異なり、例えば、ニッケルカドミウム電池やリチウムイオン電池などは内部抵抗が小さく、大電流でも出力電圧が安定しています。反対に、燃料電池や太陽電池は内部抵抗が大きいです。一般的に、電池のサイズが大きいほど内部抵抗は小さくなる傾向があります。

出力インピーダンス

内部抵抗は電池だけでなく、安定化電源などの一般的な電源にも適用できます。これらの電源も出力インピーダンスという観点で評価されます。

計測機器における内部抵抗

測定機器、特に電流計や電圧計を使用する際、内部抵抗は重要な要素です。電圧計を使う際は、測定したい回路に並列に接続し、その内部抵抗はできるだけ大きいことが理想ですが、実用上は限界があるため、通常はアナログ電圧計で 1 MΩ、デジタル電圧計で 10 MΩ以上とされています。電圧計の内部抵抗が高い場合は、回路の影響を最小限に抑えてより正確な測定が可能です。

一方、電流計の場合は回路に直列に接続され、内部抵抗が小さいほど望ましいです。しかし、精密な測定が求められる場合には、電流計の内部抵抗も考慮しないといけません。

まとめ

内部抵抗および出力インピーダンスは、電源や測定機器を理解するための基本的な概念です。これを知ることにより、電池性能や電気回路の動作をより深く理解し、実際の計測や設計に活かすことができます。

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