直列回路の電圧
直列電圧とは何か
直列回路または直列接続とは、2つ以上の電気部品が鎖状に連結された回路のことを指します。このような回路では、電荷が通過する経路は1つだけです。電気回路内の2点間での電荷の電位差は電圧と呼ばれます。この記事では、直列回路における電圧について詳しく説明します。
バッテリーは、電荷がバッテリーを通過し、外部回路の端子間に電位差を作り出すためのエネルギーを提供します。ここで2Vのセルを想定すると、外部回路に2Vの電位差が生じます。
正極端子の電位は負極端子よりも2V高いです。したがって、電荷が正極から負極へ流れると、電位が2V減少します。
これは電圧降下と呼ばれ、電荷が回路内の部品（抵抗器や負荷）を通る際に、電気エネルギーが他の形式（機械的、熱、光など）に変換されるときに起こります。
複数の抵抗器が直列に接続され、2Vのセルで駆動される回路を考えた場合、電位の総損失は2Vです。つまり、各接続された抵抗器には一定の電圧降下がありますが、すべての部品の電圧降下の合計は2Vであり、これは電源の電圧評価値と等しいです。
数学的に表現すると
オームの法則を使用して、個々の電圧降下を計算できます。
次に、3つの抵抗器で構成され、9Vの電源で駆動される直列回路を考えます。ここでは、電流が直列回路全体を通過する際の異なる位置での電位差を見つけることになります。
以下の回路で赤色でマークされた場所がそれです。電流は電源の正極から負極に向かって流れます。電圧または電位差の負の符号は、抵抗による電位の損失を表しています。
回路内の異なる点での電位差は、以下に示す電位図を使用して表現することができます。
この例では、A点の電位は9Vです。H点の電位は0Vです。電流が9Vの電源を通過すると、電荷はHからAまで9Vの電位を得ます。電流が外部回路全体を通過するにつれて、電荷はこの9Vを完全に失います。
ここでは、これが3つのステップで行われます。抵抗器を通過する際に電圧降下が発生しますが、単なる導線を通過する場合は電圧降下はありません。したがって、AB、CD、EF、GH間には電圧降下はありませんが、BとC間では2Vの電圧降下があります。
つまり、電源電圧9Vは7Vになります。次に、DとE間では、電圧降下は4Vです。この時点で、電圧7Vは3Vになります。最後に、FとG間では、電圧降下は3Vです。この時点で、電圧3Vは0Vになります。
GとH間の回路部分には、電荷に対するエネルギーはありません。そのため、外部回路を再度通過するためにエネルギーの補給が必要です。これは、電荷がHからAを通過する際に電源によって提供されます。
直列に接続されたいくつかの電圧源は、全ての電圧源の合計を取り、単一の電圧源に置き換えることができます。ただし、以下の図のように極性を考慮する必要があります。
直列に接続された交流電圧源
直列に接続された交流電圧源の場合、接続された電圧源の角周波数（ω）が同じであれば、これらの電圧源を単一の電源に結合することができます。異なる角周波数の交流電圧源が直列に接続されている場合でも、接続された電圧源を通る電流が同じであれば、これらを組み合わせることができます。
直列回路における電圧の応用
直列回路における電圧の応用には以下のものがあります：
火災報知器用バッテリー。
リモコン、おもちゃなどのバッテリー。
