中学受験理科｜電極の間隔を変えると電流はどうなる？｜水溶液と装置の形を分ける

同じ食塩水なのに、二枚の電極を近づけると電流が増えました。食塩水が濃くなったのでしょうか。そうとは限りません。水溶液に電流を流して比べる実験では、液の性質だけでなく、電流が通る道の長さや広さが測定値に関わります。中学入試で「よく電気を通す液」を選ぶ前に、装置がそろっているかを確認しましょう。

道が短い場合と、道が広い場合

平行な電極を向かい合わせた単純な模型を考えます。同じ液、同じ温度、同じ電圧であれば、電極間の距離を短くするほど電流が流れやすくなります。また、液に触れる電極の面積を広くすると、電流の通り道も広がります。ここでは端の広がりなどを無視し、問題で指定された比例関係を使います。

実際の測定器では、電極の形に応じた補正をして液の電気伝導率を求めます。電流の読みをそのまま伝導率と呼ぶわけではありません。液の温度や電極表面の状態も影響するため、装置の形だけ直せばどんな測定も比較できるとはしません。

電極位置は模式図。接液面積は本文の指定値を使う。

二枚の電極を深く入れながら近づけた場合、面積と距離の両方が変わります。電流が増えたとしても、その記録だけから「距離の影響だけで何倍になった」とは言えません。距離を調べるなら浸す深さを固定し、面積を調べるなら距離を固定します。容器を持ち替えると、電極の傾きが変わっていないかも点検します。

この題材では、高校の式を先に覚える必要はありません。問題文が「面積に比例し、間隔に反比例する」と与えたら、面積の倍率と間隔の逆数を順に掛けます。比例するのはどの量かを言葉で確認すれば、二倍という数字を見て何でも二倍にする間違いを防げます。

同じ液を一定の電圧で測るとき、電流は電極が液に触れる面積に比例し、電極間隔に反比例するとします。面積2平方cm、間隔4cmで電流が3mAでした。面積を4平方cm、間隔を2cmにしたときの電流を求めなさい。温度など、ほかの条件は同じです。

答え・解説： 面積が二倍なので電流は二倍、間隔が半分なのでさらに二倍になります。3×2×2＝12mAです。「面積も距離も二という数字に関係する」ではなく、流れる道が広がり、短くなるため、どちらも電流を増やす方向に働くと確認できます。

同じ電圧、同じ面積の電極で液Aと液Bを測りました。Aは間隔2cmで8mA、Bは間隔4cmで6mAでした。間隔に反比例する模型が成り立つとき、両方を間隔2cmにそろえると、どちらが何倍の電流を流しますか。

答え・解説： Bは間隔を半分にするので6×2＝12mAです。Aの8mAに対して12÷8＝1.5倍となり、同条件ならBの方が大きな電流を流します。元の測定値だけで8と6を比べると順位を逆に判断してしまいます。異なる形の装置をそろえてから液を比べることが必要です。

長く通電すると電極の表面で反応が起こり、気泡などによって測定の状態が変わる場合があります。時間とともに電流が変化した記録を、すぐに液が薄まった結果と決めつけないようにします。電圧や温度の変化、電極の状態を含めて、問題に書かれた条件を調べます。

専門的な伝導率計では交流を用いるなどの工夫がありますが、入試問題を解くためにその回路を自作する必要はありません。乾電池を使う簡単な実験と測定器の仕様を混ぜず、与えられた模型の範囲で考えます。身近な液を無計画に通電して試すことも避け、実験記録の比較として扱います。

実験表に面積、間隔、温度、電圧の四欄を作ってみると、液の種類以外に変わっているものを見つけやすくなります。「食塩を多くしたほど電流が増えた」と書くには、ほかの条件がそろっているという裏付けが必要です。同じ容器を使っただけでは、電極の位置まで同じとは限りません。

最後に、電流が大きい液の方が必ず溶けた物質の質量も大きい、とは一般化しません。物質の種類によって電気の通し方は異なります。今回そろえたのは装置の条件であり、異なる溶質を共通の濃度計で測れたことにはならないのです。

二枚の板が平行でなくなれば、上端と下端で距離が違います。上だけを二センチに合わせても、全体が二センチの平行な電極になったとは限りません。図の「間隔」がどこを示しているかを確かめることが、比例関係を使う前提になります。

面積についても、板全体の大きさではなく、液に触れて電流の経路になる部分が問題になります。同じ板を使っても、浸す深さを変えれば条件が変わります。板の上半分が空中に出ている写真から、板一枚の全面積をそのまま代入しないようにします。

実験装置が二組あり、標準となる同じ液を入れたときに一方だけ大きな値になるなら、未知の液を測る前に装置差を調べる手掛かりになります。これは未知試料の濃さを調べる測定とは別の点検です。装置の癖を試料の性質へ転嫁しないという視点を持ちましょう。

電極の材質を途中で替えた比較も、距離だけの実験にはなりません。同じ金属の同じ表面状態を保ったかを確認します。装置図に材質の注記があれば、寸法の数字と同じように条件欄へ書き出しておくと、変えてはいけないものが見つけやすくなります。