『開放』と『短絡』の違いについて【電気回路の基礎】

電気回路について勉強していると、「開放」と「短絡」という言葉が出てきます。

普段は当たり前のように使用している言葉ですが、電気回路の勉強を初めたばかりの方は「開放」と「短絡」について分からないと思います。

この記事では「開放」と「短絡」について、以下の内容を図や式を用いてわかりやすく説明します。

• 開放と短絡の意味・違い
• 開放・短絡したときの電流と電圧の変化
• スイッチのOFFと開放の関係
• 短絡電流の計算例と注意点

「開放」と「短絡」の違い

まず、抵抗を回路から切り離す場合と、抵抗の両端を電線でつなぐ場合を比べてみましょう。次の図は、抵抗\(R_2\)を開放・短絡したときの接続の違いを示しています。

開放とは「回路の一部が途切れている状態」のことです。

上図で「抵抗\(R_2\)を開放させる」とは、「抵抗\(R_2\)を回路から切り離すこと」を意味します。

短絡とは「回路の2点間を、抵抗が非常に小さい導体(電線など)で接続している状態」のことです。

上図で「抵抗\(R_2\)を短絡させる」とは、「抵抗\(R_2\)の両端（A-B間）を抵抗が非常に小さい導体(電線など)でつなぐこと」を意味します。

後ほど詳しく説明しますが、「開放」と「短絡」の違いをまとめると以下のようになります。

比較項目	開放	短絡
別名	オープン	ショート
接続状態	回路の一部が途切れている	2点間が低抵抗の導体でつながっている
理想的なA-B間の抵抗	無限大	\(0{\mathrm{[\Omega]}}\)

ここからは、各用語について順番に詳しく説明していきます。

開放とは

開放とは回路の一部が途切れている状態のことを指します。開放は「オープン」とも呼ばれています。

次の図は、電圧源\(V\)、抵抗\(R_1\)、抵抗\(R_2\)で構成されたシンプルな回路を示しています。この回路において、「抵抗\(R_2\)を開放させる」ということは「抵抗\(R_2\)を回路から切り離す」ということを意味しています。

抵抗\(R_2\)を回路から切り離すと、A-B間に切れ目ができ、回路が途切れた状態となります。この回路には電流が一周できる経路がなくなるため、電流は流れません。

電流の流れにくさを表す量をインピーダンスといいます。インピーダンスが大きいほど電流が流れにくくなるのですが、回路が途切れている部分には電流が流れません。そのため、開放すると「インピーダンスが無限大になる」と表現することもあります。

開放前後の電流と電圧の大きさの変化

抵抗\(R_2\)を「開放する前の状態」と「開放した後の状態」で、回路に流れる電流\(I\)とA-B間の電圧\(V_{AB}\)を比べてみましょう。

ここで、\(V\)は電圧源の電圧\({\mathrm{[V]}}\)、\(I\)は回路に流れる電流\({\mathrm{[A]}}\)、\(R_1\)と\(R_2\)は各抵抗の抵抗値\({\mathrm{[\Omega]}}\)です。\(V_{AB}\)はB点を基準にしたA点の電圧\({\mathrm{[V]}}\)を表します。

抵抗\(R_2\)を「開放する前の状態」

開放する前は、抵抗\(R_1\)と\(R_2\)が直列につながっています。合成抵抗は\(R_1+R_2\)なので、オームの法則より、回路に流れる電流\(I\)は次式で求められます。

\begin{eqnarray}
I=\frac{V}{R_1+R_2}
\end{eqnarray}

A-B間の電圧\(V_{AB}\)は、抵抗\(R_2\)にかかる電圧です。抵抗\(R_2\)に流れる電流も\(I\)なので、次式となります。

\begin{eqnarray}
V_{AB}=R_2I=\frac{R_2}{R_1+R_2}V
\end{eqnarray}

電圧源の電圧\(V\)は2つの抵抗に分かれてかかります。そのため、開放する前の\(V_{AB}\)は\(V\)より小さくなります。

抵抗\(R_2\)を「開放した後の状態」

抵抗\(R_2\)を切り離すと、A-B間の抵抗は無限大とみなせます。このときのA-B間の抵抗を\(R_{AB}\)とすると、回路に流れる電流\(I\)はオームの法則より、次式で表せます。

\begin{eqnarray}
I=\frac{V}{R_1+R_{AB}}=\frac{V}{R_1+{\infty}}=0
\end{eqnarray}

抵抗\(R_2\)を切り離すと、回路に流れる電流\(I\)がゼロになるため、抵抗\(R_1\)での電圧降下もゼロになります。そのため、電圧源の電圧\(V\)とA-B間電圧\(V_{AB}\)は同じになります。式で表すと次のようになります。

\begin{eqnarray}
V_{AB}=V
\end{eqnarray}

以上より、この回路では「開放すると電流が流れなくなる」＆「開放した箇所の電圧が大きくなる」ことが分かります。

スイッチがOFFの状態も開放という

開放は、部品を取り外した場合だけに使う言葉ではありません。次の図は、電圧源\(V\)、スイッチ\(SW\)、抵抗\(R_1\)で構成された回路です。

スイッチ\(SW\)をOFFにすると、接点が離れて回路の一部が途切れた状態となり、電流が流れなくなります。

そのため、スイッチをOFFにすることを「開放する」と表現することもあります。

短絡とは

短絡とは、回路の2点間を、抵抗が非常に小さい導体(電線など)で接続している状態のことを指します。短絡は「ショート」とも呼ばれています。

次の図は、電圧源\(V\)、抵抗\(R_1\)、抵抗\(R_2\)で構成されたシンプルな回路を示しています。この回路において、「抵抗\(R_2\)を短絡させる」ということは「抵抗\(R_2\)の両端（A-B間）を抵抗が非常に小さい導体(電線など)でつなぐこと」ということを意味しています。

短絡している部分では電流を遮るものがありません。そのため、短絡すると「インピーダンスがゼロになる」と表現することもあります。

短絡前後の電流と電圧の大きさの変化

抵抗\(R_2\)を「短絡する前の状態」と「短絡した後の状態」で、回路に流れる電流\(I\)とA-B間の電圧\(V_{AB}\)を比べてみましょう。

ここで、\(V\)は電圧源の電圧\({\mathrm{[V]}}\)、\(I\)は回路に流れる電流\({\mathrm{[A]}}\)、\(R_1\)と\(R_2\)は各抵抗の抵抗値\({\mathrm{[\Omega]}}\)です。\(V_{AB}\)はB点を基準にしたA点の電圧\({\mathrm{[V]}}\)を表します。

抵抗\(R_2\)を「短絡する前の状態」

短絡する前は、抵抗\(R_1\)と\(R_2\)が直列につながっています。合成抵抗は\(R_1+R_2\)なので、オームの法則より、回路に流れる電流\(I\)は次式で求められます。

\begin{eqnarray}
I=\frac{V}{R_1+R_2}
\end{eqnarray}

A-B間の電圧\(V_{AB}\)は、抵抗\(R_2\)にかかる電圧です。抵抗\(R_2\)に流れる電流も\(I\)なので、次式となります。

\begin{eqnarray}
V_{AB}=R_2I=\frac{R_2}{R_1+R_2}V
\end{eqnarray}

抵抗\(R_2\)を「短絡した後の状態」

抵抗\(R_2\)の両端を理想的な導体で短絡すると、A-B間の抵抗はゼロとみなせます。このときのA-B間の抵抗を\(R_{AB}\)とすると、回路に流れる電流\(I\)はオームの法則より、次式で表せます。

\begin{eqnarray}
I=\frac{V}{R_1+R_{AB}}=\frac{V}{R_1+0}=\frac{V}{R_1}
\end{eqnarray}

また、A-B間の合成抵抗\(R_{AB}\)がゼロなので、A-B間の電圧\(V_{AB}\)もゼロとなります。式で表すと次のようになります。

\begin{eqnarray}
V_{AB}=R_{AB}I=0×I=0
\end{eqnarray}

以上より、この回路では「短絡すると電流が流れやすくなる」＆「短絡した箇所は電圧がかからなくなる」ことが分かります。

短絡すると非常に大きな電流が流れるので注意

次の図は、電圧源\(V=10{\mathrm{[V]}}\)と抵抗\(R_1=100{\mathrm{[\Omega]}}\)で構成されたシンプルな回路です。電流の大きさを決める抵抗が抵抗\(R_1\)のみの場合を考えてみましょう。

抵抗\(R_1\)を抵抗が小さい導体(抵抗値\(R_2=0.1{\mathrm{[\Omega]}}\))で「短絡する前の状態」と「短絡した後の状態」で回路に流れる電流\(I\)を求めてみます。

抵抗が小さい導体(抵抗値\(R_2=0.1{\mathrm{[\Omega]}}\))で「短絡する前の状態」

短絡する前は、電流が流れる経路は抵抗\(R_1\)だけです。オームの法則より、回路に流れる電流\(I\)は、抵抗\(R_1\)に流れる電流\(I_1\)と等しくなるため、次式となります。

\begin{eqnarray}
I=I_1=\frac{V}{R_1}=\frac{10}{100}=0.1{\mathrm{[A]}}
\end{eqnarray}

抵抗が小さい導体(抵抗値\(R_2=0.1{\mathrm{[\Omega]}}\))で「短絡した後の状態」

短絡した後は、抵抗\(R_1\)と導体の抵抗\(R_2\)が並列になります。両方に\(10{\mathrm{[V]}}\)がかかるので、抵抗\(R_1\)には電流\(I_1\)、導体には電流\(I_2\)が流れます。電源から流れ出る電流\(I\)は、それらの合計となるため、以下の値になります。

\begin{eqnarray}
I=I_1+I_2=\frac{V}{R_1}+\frac{V}{R_2}=\frac{10}{100}+\frac{10}{0.1}=0.1+100=100.1{\mathrm{[A]}}
\end{eqnarray}

「短絡する前の状態」では回路に流れる電流\(I\)は\(0.1{\mathrm{[A]}}\)、「短絡した後の状態」では回路に流れる電流\(I\)は\(100.1{\mathrm{[A]}}\)なので、回路を短絡すると非常に大きな電流が流れてしまうということが分かります。

短絡時に流れる電流は「短絡電流」と呼ばれます。短絡電流が流れることによって、電線の被膜(電線を覆っている絶縁性の樹脂)が溶ける可能性があります。また、短絡時に火花が発生することで発火事故になるなど大きな問題を引き起こす可能性もあります。

本記事のまとめ

この記事では「開放と短絡の違い」について、以下の内容を説明しました。

• 開放（オープン）は、回路の一部が途切れている状態である。
• 短絡（ショート）は、2点間を抵抗が非常に小さい導体(電線など)で接続している状態である。

お読みいただきありがとうございました。

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