bupipi さんの書込 (2010/02/26(Fri) 00:12)

始めまして． 高校２年生で，現在学校の物理で電磁気学を学んでいる者です． 回路の授業で以下のような説明をされました．

「導線に電池を繋ぐと，導線内に電場が発生し，その力を受けて自由電子が移動する」

自分はこの説明がどうも釈然としないのです． そもそも，その電場は一体何が作っているのでしょうか？

「電池は一定値の電位差を生む装置だ」と言われましたが，実は電池とは電場を生む何かであり，それによって電位差を作り出している，ということでしょうか…．

「電位差があるから電場が生まれる」なのか？とも考えました． しかしこれは（少なくとも自分が高校で習った範囲では）おかしい気がします． そもそも電位とは単位正電荷あたりのクーロン力のP.Eのことで，電場が無いなら定義できないはず．（というか0） なので，この考えは違う…と考えています．

教師に質問もしたのですが，どうも頼りなくて適当に「〜じゃないかな？」みたいな事を言われただけで終わってしまいました．

問題を解く上では（自由電子が電流と逆向きに動いている，ということを知っていれば）差し支えは無いのですが，自分はこういったものの説明で適当に誤魔化している部分があると非常に気になってしまうので，現在困っています．

どなたかこの質問に答を出せる方いらっしゃいましたら宜しくお願いします．

トビラ．． さんのレス (2010/02/26(Fri) 04:27)

多分，化学的な力により電池内のプラス極にあった電子がマイナス極にうつる装置が電池じゃないのでしょうか？ したがってプラス極は正に帯電し，マイナス極は負に帯電することになります．ただ空気は電導率が導線に比べて小さい(？)ため空気中を電子が移動することはないとはおもいますが，電池のまわりに電界はあると思います．つまりは電池のプラス極から電気力線がでてマイナス極につながっている感じです． この電池に導線をつなげると導線内に電流がながれます． なぜかと言うと導線のような金属には金属内を自由にうごきまわる電子，つまりは自由電子が存在し電池のマイナス極は負に帯電しているのでそこに繋げた導線にあった電子は斥力を受け反対側に移動するはずです．するとそこには電子がなくなるので正に帯電しますがそうなると電池にあった電子が引き付けられ導線内に移動するんだと思います．このプロセスの繰り返しではないでしょうか？

電池のまわりに電界(電場)があっても，導線をそこに近づけただけでは導線に電流は流れないと思います．それは確か電場中の導体の内部は電場は0になるからです．たしか．

つまり導線ないを乱雑に動いていた電子が，電池と導線をつなげることにより導線内に電場が生じ，電子の移動する向きが平均的に統一されるため電流が流れるんだと思います． 話は，ずれるんですが場と言う概念について少し触れると，例えば電磁力と言うと離れている2つの荷電粒子に作用する「遠隔力」に思えますけど，場と言う概念を用いるとそれを遠隔力ではなく近接力と解釈し直すことができると思います．つまりは場と言うものが間に入ることにより，荷電粒子と場(電場)とが近接作用しているというふうに，考えることができ，場と言う概念を導入することにより遠隔作用を近接作用に昇格させると言う点でおもしろいものだと思います．

電池内の電子を移動させる化学的な力については僕はよくはわからないのでなにもいえません

ただ今いったことはそんなような説明を本でしてたような気がするって思って書いただけなので今書いたことは間違っているかもしれませんがその時はすみません．

トビラ．． さんのレス (2010/02/26(Fri) 04:40)

あと電場は何が作っているのかについては，それは電子や陽子のような荷電粒子がつくっています．素粒子論とかを考えるともっと話は複雑になるとは思いますが

bupipi さんのレス (2010/02/26(Fri) 23:19)

トビラ．．さん

丁寧な説明を有難う御座います． なるほど… そういう考え方もあるんですね． それとなくイメージは掴めました．

電池の作りを軽く調べてみて，辻褄が合うか調べてみたいと思います．

引き続きご意見募集しています．

なんとなく さんのレス (2010/02/27(Sat) 10:38)

bupipiさん，はじめまして，なんとなくです． 引き続き募集ということで．

疑問のどこに釈然としないのかいまいちはっきりしませんが，電池の部分というより，電場，電位差，電流の実体をイメージしにくいのかな，と思います．問題を簡単化して電池の代わりにコンデンサを考えてみてはどうでしょう．対面した2枚の導体板にそれぞれ正，負の電荷を与えます（簡易コンデンサです）．これは箔検電器などでおなじみでしょう．少し詳しくいうと，もともと電気的に中性（つまり正電荷と負電荷の数が同数）な導体（ほとんど動けない正電荷と負電荷，および導体中では比較的自由に動ける負電荷からなっています）で，負電荷が少数派になれば全体として正に，過剰になれば負に帯電すると思えばいいでしょう． この時点で電場はどうなっているかというと，導体版の中間には強い電場が，外には弱い電場が”すでに”あります．電場は正極板の正電荷から負極板の負電荷へ伸びる電気力線で表されます（つまり電場を作るのは電荷以外にはありません）．正負電荷が近いほど，密なほど強い電場です．この同じ強さの電場の（空間）点を結んだものが電位と呼ばれます．通常正電荷付近を最大として負電荷で最小となりますから，電位に差（分）が生じ，これが電位差です． さて，このコンデンサの両極にリード線を結ぶことを考えます．この線自体がまた導体であり，まず正極にのみにつなぎます．このとき，何が起きるでしょう． 正極の正電荷が，正極板と線を新しい（一体の）導体として再分布します．当然電場も線を含んだ新しい形に変形します．この線の反対側を負極に近付ければ，線と負極版のあいだには大きな電場ができます．しかし，もちろん電流は流れていません．接触しないと電子が移動できないからです．そして接触させれば，トビラさんの書かれたように電子の連続的な移動と供給が為され，電流として流れることになります． ここで注意することは，一個の電子が線の端から端まで移動するのではなく，玉突きのように次々と移動が起こり，見掛け上，連続した流れがあるように見える（実は電子の速度は小さいですが，この流れの速度は光高度に近いです），ということです．そして，電池と異なり，コンデンサでは電荷が平衡（中和）したら終わりです．電池ならこの供給を続けられることが違いですね． 蛇足ですが，電池に豆電球をつなぎ，電極付近のリード線をガリガリ引っ掻くかんじでこすると，火花が見られます．これは接触点で電子が実際に移動していることを示していますね． 長々と書きましたが，疑問点と的外れならご容赦を．

bupipi さんのレス (2010/02/27(Sat) 15:28)

なんとなく さん

丁寧な説明有難う御座います．

その例の場合だと完全に理解する事ができます．コンデンサーに帯電した正負電荷自身が電場を作るという事ですね．

>>疑問のどこに釈然としないのか… ↓

>>電池ならこの供給を続けられることが違いですね． では電池の場合ではどんな感じで進んでいくのでしょう？ というのが最終的に知りたい所です．

yama さんのレス (2010/02/27(Sat) 17:34)

私からも簡単に説明させていただきます．

電荷を蓄えるという点では電池とコンデンサーは似ていますが，コンデンサーでは極板自体が帯電して電荷を蓄えるのに対して電池では内部の電解質溶液中のイオンの形で電荷が蓄えられます． 電池の電位差は，両極の物質のイオン化傾向の違いによって生じます． 電位差があるということは電場があるということですが，コンデンサーと電池では内部の電場の状態に違いがあります． コンデンサーでは極板間にほぼ一様な電場が生じていますが，極板間は絶縁体なので極板間に電流は流れません． 電池の内部では両極間は電解質溶液なので内部に電場ができていれば電流が流れます．しかし外部の導線に接続されていないときは電流は流れないはずなので内部には電場は存在しないということになりそうです． 実際は内部の電場は存在しますが，それは両極の表面付近の狭い範囲に限られています． 正極の表面付近には陰イオンが，負極の表面付近には陽イオンが集まっていてそれらのイオンのつくる電場によって溶液中のほとんどの部分で電場は0になっています． しかし両極を導線でつなぐと，電子が移動します．負極では電子が導線を通って出ていくので電子が減少します．つまり平衡状態が破れるわけです，そうすると平衡状態を保とうとして，負極表面で陰イオンが電子を放出するという反応が起こります．同様に正極表面では陽イオンが電子を受け取るという反応が起こります． 反応に伴って表面付近に集まっていたイオンは減少しますが，当然まわりから新しいイオンが供給されます． この反応が継続することによって電子の移動が継続し，電流が流れ続けるわけです． もちろん反応できるイオンがすべて反応してしまうとそれ以上電流は流れなくなるわけです．

bupipi さんのレス (2010/02/28(Sun) 19:31)

yamaさん

丁寧な説明有難う御座います． 化学の授業で習った電池の知識を総動員して，何とか全体的にイメージをつかむ事が出来ました．

導線内にどのように電場が出来るかは大体理解出来ました． それも完璧にとは言えませんが，全くのブラックボックスの状態とは天と地の差です．（笑）

問題を解く時，何が起きているのかも分からずにパズルのように公式を使うのがどうも気が進まないのです． 公式主義に陥って物理が苦手になっても嫌なので…．

皆様のお陰で，これからは回路の問題を解く時もすんなりいけると思います． 親切な説明，有難う御座いました．m(＿)m