O que você descobriu são as leis de tensão e corrente de Kirchhoff e a lei de Ohm.
Simplificando, a aplicação da lei atual de Kirchhoff estabelece que, quando fontes de tensão, como baterias, são conectadas em série, suas tensões aumentam.
Vamos esquecer o LED por um momento; nós voltaremos a isso.
No diagrama abaixo, a carga (o resistor de 100 ohm) vê 6 V através dele.
simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab
Neste circuito (abaixo), a lei de tensão de Kirchhoff diz que as tensões não aumentam, porque as fontes de tensão estão em paralelo. No entanto, a corrente consumida pela carga de 100 ohm é dividida entre os dois.
simule este circuito
Agora não vamos esquecer o LED;
Um LED (diodo emissor de luz) é, como o nome sugere, um "diodo". Esses dispositivos são complicados de descrever com satisfação em uma resposta curta como esta, mas, para o propósito desta explicação, pense nela como tendo uma tensão constante, independentemente da corrente que está passando. Com essa simplificação, a tensão no diodo pode ser subtraída da tensão causada pelas fontes de tensão (baterias) que são em série (6 V) ou em paralelo (3 V). A voltagem em um LED depende de qual LED ele é, mas geralmente está entre 1,8 V e 2,1 V, dependendo da cor.
O circuito abaixo mostra o efeito do LED:
simule este circuito
Agora para a lei de Ohm;
V = R * I
I = V / R
R = V / I
Onde
V = tensão
I = Atual
R = resistência
Aplicação da lei de Ohm;
4 V / 100 ohm = 40 mA
1 V / 100 ohm = 10 mA
Acabei de usar valores típicos para este exemplo, mas você pode usar a lei de Ohm para retroceder e calcular qual é a tensão no LED ou pode medi-la e calcular outros valores. Diverta-se!
A propósito, é ótimo que você esteja fazendo suas próprias experiências como essa, mas da próxima vez não conecte as baterias em paralelo assim. Eles não gostam;) (Eu não vou entrar em detalhes agora.)