抵抗や電池では電位差があるのに,それをつないでいる銅線内では電位差が無いと教科書にかいてありますよね?と言うことは銅線内では電場が無いんですよね?電場が無いと言うことは,電子は流れてないいんですかね?こんがらがってしまいました.何でか良く分からないんですが,誰か教えてください.学部の1年生です.電磁気1だけやりました. お願いします(^ー^)
ききさん,はじめまして.
>電場が無いと言うことは,電子は流れてないいんですかね?
そうですねぇ….
等電位=電場がない=電子に力は働かない→電子は動かない
という推理でしょうか.なかなか良い推理だと思いますが,最後の矢印が問題です.力が働かないということは,加速度が生じないと言うこと.つまり電子の速度が変化しない,ということです. だから,
等電位=電場がない=電子に力は働かない=電子は一定の速度で動き続ける
と考えましょう.電荷が一定の速度で移動している=定常的に電流が流れている,という状況ですね. これで,導体内でも電流が流れることができると安心できるんじゃないでしょうか.
もちろん,電池を繋げて定常的に電流が流れるまでの過渡的な状況については別問題ですね.そのときは導体内部でも電位のムラが生じているんでしょうけど…詳細は知りません.それと,微視的に見ればこんな単純な話じゃ済まないでしょう…けど,これも詳細に立ち入ったことありません. #我ながら不勉強だなぁ….
もう前の話なので見ていないかもしれませんが僕の意見を書きます.
まず,導線内部でも電圧降下は起こります.もし電位差なしで電流が流れれば抵抗0の超伝導体ということになります.実際,導線として使われる金属はどれも抵抗があります.
ただ理論として電気回路を扱うとき,導線部分の電圧降下は抵抗などの素子で起こるものに比べ非常に小さいので無視し,あたかも導線を超伝導体のように扱うということだと思います.そのため電圧差が無くても電流が流れるわけです.
ぼくもnobuさんのいうとおりだと思います.
山本明さんの
>等電位=電場がない=電子に力は働かない→電子は動かない > >という推理でしょうか.なかなか良い推理だと思いますが,最後の矢印が問題です.力が働かないということは, >加速度が生じないと言うこと.つまり電子の速度が変化しない,ということです. >だから, > >等電位=電場がない=電子に力は働かない=電子は一定の速度で動き続ける> >と考えましょう.
の記述はむしろ間違っています. どこがまずいのかというと「加速度が生じないと言うこと.つまり電子の速度が変化しない」の部分です.これではあたかも,電子は最初から動いていたかのようですが,そうではなく,銅線の中で加速と減速(銅線中の原子とぶつかることによる)を繰り返すはずです.
この場合,電気抵抗での電圧降下(電位差)に比べて0とみなしていい程度の電圧降下しか生じないというだけで,そのような微小な電位差も電界も存在しているはずです. まして,加速度は完全にあります.これは近似的にも無視できません.
質問者が電子に注目しているので微視的な部分に立ち入って説明しないと答えたことにならないと思います.
山本さんへ,なんかずいぶん攻撃的になってしまいましたが,悪意はないので気を悪くしないでもらえたら幸いです.
おこめです. 電磁気学で媒質中の電子の運動を精密に扱う事は不可能です.電流を表すqvのvも電子の移動速度でなく,移動度(平均速度)です.qも電子の電荷でなく点電荷が最小に扱える電荷だと思います.電子などの微視的なもの同士の衝突の影響(簡単には力学で扱える?剛体球モデルのことです)を考えるのには少なからずや統計力学の知識が必要です.だから加速度が近似的に無視できないのでなく,統計的に扱うと平衡時にはゼロ<a>=0という方がいいかと思います.
ところでこのように考えるとききさんの書き込まれた「銅線内(導線内?)では電位差がない」という記述に反します.結局はこの説明は何を意図しているのでしょうか?巨視的に見る(統計的に見る,または遠くから見る?)とそうだということだと思います.電荷の移動速度(移動度)のこと,つまり電荷を一つの仮想的な点電荷に置き換えていた場合の説明しているように思います.だから電子についての移動を説明しているという段階でつまづいているというのが正解かと思うのです.もっと簡単に言うともとの問題と話し合っている内容にギャップがあるという事かと思うという事です(vを電子の速度に話をすり替えている).
>どこがまずいのかというと「加速度が生じないと言うこと.つまり電子の速度が>変化しない」の部分です.これではあたかも,電子は最初から動いていたかのよ>うですが,そうではなく,銅線の中で加速と減速(銅線中の原子とぶつかること>による)を繰り返すはずです.
イメージは僕の考えに近いですが,電子は最初から動いているのが普通だと思います.これは金属は自由電子を持っているから普通の状態(世界平均気温で圧力は大気圧)では電子は勝手に動き回るだろうということです(まったく凍りついた電子などないでしょう.すくなくともその場で振動していると思います).これは推測なので突っ込みどころがあれば訂正をお願いしたいと思います.
おこめさんへ, まず,つっこみから入ります.
>電流を表すqvのvも電子の移動速度でなく,移動度(平均速度)です. これは間違いです.移動度は平均速度ではありません.平均速度はドリフト速度であり,ドリフト速度をvd,移動度をμとしたとき, vd=μE(Eは電界) の関係が成り立ちます.
電流を表すのが,qvではなく,qvdだというのは(vdがおこめさんの言う平均速度なので)正しいと思います. また, >電子は最初から動いているのが普通だと思います の記述もその通りだと思います.
ただ,銅線の電池に接している部分の平均速度は0なので(たぶんそうだと思います)速度v=0の電子があったと仮定して,その電子の動きを追うことで,全電子の平均的な動きを代表させることが出来ると思います.
また, >統計的に扱うと平衡時にはゼロ<a>=0という方がいいかと思います. の部分なのですが,僕の主張は「電界による加速度は十分大きくて無視できない.」というものです.それが,衝突による加速度とつりあった結果<a>=0となるのですが,電界による加速度がないと勘違いしてはいけないだろうということです.
また, >ところでこのように考えるとききさんの書き込まれた「銅線内(導線内?)では電位差がない」という記述に反します という部分に関してですが,僕の主張はまさに「本当に電位差が0なわけではない.」ということです. ききさんは教科書の記述を正確な記述だと信じたから, >電位差が無いと教科書にかいてありますよね?と言うことは銅線内では電場が無いんですよね? >電場が無いと言うことは,電子は流れてないいんですかね? という状況に陥ったわけです. それに対し,僕の主張は 「電位差はある→電場もある→だから電子は流れる. しかし,電子は軽いため,電場は非常に弱くて十分であり,その結果電位差も無いという近似的な表現が教科書ではなされた.」 というものです.
>もとの問題と話し合っている内容にギャップがある とかかれていますが,もう少し詳しく説明していただきませんか?とくに,おこめさんの文章のなかで,ききさんの主張,僕の主張,の境目がよく分からないため理解しにくいです.今のところ,ギャップは無いと考えています.
>結局はこの説明は何を意図しているのでしょうか? この説明というのが僕の説明をさすとして,僕の説明はおこめさんのいっている「簡単には力学で扱える?剛体球モデル」によるものです.剛体球は電子です.一つの電子に注目することで,全体の様子を説明しています.バンド理論などは一切考慮していませんので,微妙ですが,このような古典的な説明でも実体とそれほどかけ離れてはいないはずだと思います.
みなさん,こんにちは.私など高校でなにげなく納得してたつもり,あるいは疑問にも思わなかったような事でも,きちっと考えてみるとやっぱ良くわからない事たくさんあります.これは本来,微視的な現象を巨視的,近似的,直感的に理解しようとする時点で,多少イメージが日常的にしっくりこないと言う,ある程度不可抗力的な事なんでしょうか.それとも,それは百も承知の上で,なおかつ,うまい事イメージする方法があるのでしょうか. 私個人としては山本明さんの
>等電位=電場がない=電子に力は働かない=電子は一定の速度で動き続ける
と考えましょう.電荷が一定の速度で移動している=定常的に電流が流れている,という状況ですね. これで,導体内でも電流が流れることができると安心できるんじゃないでしょうか.
や, nobuさんの,
>まず,導線内部でも電圧降下は起こります.もし電位差なしで電流が流れれば抵抗0の超伝導体ということになります.実際,導線として使われる金属はどれも抵抗があります.
ただ理論として電気回路を扱うとき,導線部分の電圧降下は抵抗などの素子で起こるものに比べ非常に小さいので無視し,あたかも導線を超伝導体のように扱うということだと思います.そのため電圧差が無くても電流が流れるわけです.
が,すっごいしっくりきました.
ありがとうございます.なんとなくわかったような気がします.勉強不足だと思 いました.
>>電流を表すqvのvも電子の移動速度でなく,移動度(平均速度)です. >これは間違いです.移動度は平均速度ではありません.平均速度はドリフト速度 >であり,ドリフト速度をvd,移動度をμとしたとき, >vd=μE(Eは電界) >の関係が成り立ちます.
ありがとうございます.いいかげんなことを書いていたので全て消してしまおうとおもっていたのですが,もう返信が来ていたようです.もちろん上の概念は知っていました(おぼろげに)がμの名称が移動度(易動度とも言ったような)という事は忘れてしまってました.要するに専門用語を使い間違えていたということです.移動度は誤りで平均移動速度と読み替えてください. >vdがおこめさんの言う平均速度 ドリフト速度の事を平均移動速度とも言います.でも上の書き込みには移動が抜けています.
あとギャップについてですが僕の言いたかった事はコーヒー牛乳さんの説明にギャップがあるのでなくききさんが平均速度についてのテキストの説明を電子個々の速度についての説明だと解釈したギャップのことを差していたのです.以前の書き込みにはそのような解釈は不可能かと思われるので訂正しておきます.
>>結局はこの説明は何を意図しているのでしょうか? >この説明というのが僕の説明をさすとして,僕の説明はおこめさんのいっている >「簡単には力学で扱える?剛体球モデル」によるものです.剛体球は電子です. >一つの電子に注目することで,全体の様子を説明しています.バンド理論などは >一切考慮していませんので,微妙ですが,このような古典的な説明でも実体とそ >れほどかけ離れてはいないはずだと思います.
これはテキストの説明の内容の意図を指していました.すみません.
>それに対し,僕の主張は >「電位差はある→電場もある→だから電子は流れる. >しかし,電子は軽いため,電場は非常に弱くて十分であり,その結果電位差も無 >いという近似的な表現が教科書ではなされた.」 >というものです.
これには疑問があります.定常電流のとき,電場は保存的になります.つまり電場は ∇・E=0∇×E=0 を満たすので導体内の電場は静電場と同じ電場の分布をすると予測されます.静電場における導体内の電場がゼロであることから導体の表面にしか電場は存在しないのではないかと思うのです.だからテキストの説明は正しく,導体内の電場はゼロ,従って等電位でもあるとするのが妥当かと思います.
これはもちろん電子の衝突による電荷の状態を電磁場で表現した結果です.電子が軽いとかそういう話でなく,平均移動速度が一定なので等電位.そういうことだと思います.
古典物理学は場と動力学を別々に扱います.コーヒー牛乳さんの文章を読んでいると どこか場と動力学を同時に考えてしまっているような印象を受けます(これは錯覚か勘違いの可能性は大きいです).また修正すべき点がありましたら気づいた方は書き込んでいただけると助かります.
おこめさんへ,
>これはテキストの説明の内容の意図を指していました.すみません.
いえ,ぼくがおこめさんの文章を読み間違えてしまったわけですのでこちらこそすみません.
>これには疑問があります.定常電流のとき,電場は保存的になります.つまり電場は >∇・E=0∇×E=0 > を満たすので導体内の電場は静電場と同じ電場の分布をすると予測されます.静電場における導体内の電場がゼロであること >から導体の表面にしか電場は存在しないのではないかと思うのです.だからテキストの説明は正しく,導体内の電場はゼロ, >従って等電位でもあるとするのが妥当かと思います.
の部分についてなのですが,「静電場における導体内の電場がゼロ」の根拠は導体内の電子が電場がある限り移動して,導体内の電場を打ち消すので,定常状態になったときには導体内には電場がないと言える.といったものだと思います.したがって,定常状態になっていない今回の場合むしろ同じ論法で,定常状態ではないので電場がある.といえると思います. おこめさんの指摘はdivEとrotEが等しければマクスウェルの方程式から,同じ電場でなければおかしい. というものだと思いますが,これは違います. マクスウェルの方程式だけから,電場は求まりません.境界条件が必要です. 例えば,上の方程式はE=定数なら,定数の値にかかわらず,成り立ちます.電気抵抗がまさにいい例で,僕は銅線も電気抵抗が極端に小さい抵抗だという立場です. また,点電荷の周りにはご存知のようにクーロンの法則に従う電場が発生していますが,これも電荷がある場所を除けばdivE=0,rotE=0を満たします.
僕もコーヒー牛乳さんよりの考えです.電流が流れている場合導体内に電場は存在します.でなければ電子は散乱を繰り返し導体内を進んだり戻ったり斜めに行ったりとランダムな動きをして,結局電流は0となってしまいます.
電気回路の場合はあくまで散乱要因がまったくなく抵抗が0の理想的な導線を仮定しているだけだと思います.
上にも書かれていましたが導体中では vd=μE(Eは電界) なのでもし電界が0ならvdも0となってしまいます.
もし厳密に電子の個々の動きがどうなっているのか調べるには,固体物理を勉強するしかないと思います.
マクスェル方程式と境界条件があってはじめて解がもとまるのは承知しています.僕は上の問題は導体の断面が等電位面と一致する(つまり同じ点で導体内は等電位)ということではないのかと考えています.これならば定常電流においては全てがうまくいくと思います(変位場は考えていません.うまくいかなければききさんが定常電流の項を引用したと考えればいいでしょう).
すいません.言葉遣いを間違えました.定常状態ということばが不適切でした. 僕が言いたかったのは
導体内の電子が電場がある限り移動して,導体内の電場を打ち消すので,「電流が0」になったときには導体内には電場がないと言える.逆に同じ論法で,「電流が0」ではないので電場がある.といえるだろう.
ということです.このように読み直していただければ僕が言いたかった内容が分かると思います.静電界を扱った話のとき「定常状態」といえば電流が0になるのですが,電気回路で言う定常状態は電流が一定の状態ですね.間違えました.
そして,おこめさんと僕の意見の違いは
>定常電流における電場の境界条件は導体表面の電場の法線成分がゼロ
の部分です. 僕の意見はまさに「導体表面の電場の法線成分が0」ではない.というものです.電池や,抵抗と接続している部分の電場の法線成分は0ではないと思います.そしてこれは,この境界条件から導体内に電場がある.と考えるのではなく,電流が流れているから,導体内に電場があるはずであり,そうすると境界条件として「導体表面の電場の法線成分が0」であるはずがない.という考えです.「導体表面の電場の法線成分が0」という根拠も静電場の場合から来るものであり,今回は当てはまらないのでは?と思います.もちろん,0に近いとは思いますが,0だと言い切ると,質問者と同じ疑問に陥るのだと思います.
境界条件を求めて,それからマクスウェルの方程式を解くことにより電場が決まるわけですが,これはたいてい難しい問題です.よって,境界条件がはっきりと分かってないんだから,他の定性的な事から電場の様子を予想しよう,という態度をとるとこのようなことになると思います.
>導体内の電子が電場がある限り移動して,導体内の電場を打ち消すので,「電流 >が0」になったときには導体内には電場がないと言える.逆に同じ論法で,「電 >流が0」ではないので電場がある.といえるだろう.
そうだと思います.今調べたところ境界条件については近似的には僕の言ったようになります.それは銅線の伝導率が高いために電位差をゼロに近似しているからです. つまり導体においては等電位面だと近似しているという事です.したがって抵抗のあるところではそのような事は起こらないし,厳しく厳密な計算をした場合にはテキストの説明は適切ではないです.だからコーヒー牛乳さんの説明は正しかった.それが僕の結論です.
だから固体物理学を学んでもこのテキストの真意は分からないです.ここではどのような近似がされているのかを考えるべきだと思いました.銅の抵抗率が1.72×10^{-8}[Ωm]である事を知れば良かったんです(僕個人の話です).
>定常電流のとき,電場は保存的になります.つまり電場は >∇・E=0∇×E=0 >を満たすので導体内の電場は静電場と同じ電場の分布をすると予測されます.静 >電場における導体内の電場がゼロであることから導体の表面にしか電場は存在し >ないのではないかと思うのです.だからテキストの説明は正しく,導体内の電場 >はゼロ,従って等電位でもあるとするのが妥当かと思います.
定常電流だと自分で言っているのに訳の分からない事かいてます.ちゃんと考えてから書くべきでした.反省してます.
2回連続電流回路の関係の問題でポカして,皆さんによって修正されました. みなさんには多大な迷惑をかけたかと思いますが,苦手からそこそこ分かる状態までもっていく事ができました(どのような仮定の基づいているのかが分かったのが僕にとっては大きかったです).
>だから固体物理学を学んでもこのテキストの真意は分からないです.ここではどのよう >な近似がされているのかを考えるべきだと思いました.銅の抵抗率が1.72×10^{-8} >[Ωm]である事を知れば良かったんです(僕個人の話です).
抵抗率が小さく,近似されているというのは僕が最初に指摘したことだと認識しています.その後少しずれた議論がなされている気がしたのでこのように書きました.僕が言いたかったのは,導体(固体)の中の電子の状態は量子論的効果が入ってきて,古典的には理解できない.だから「電子が加速されて…,衝突して…」のような微視的に個々の電子の話をするにはやはり固体物理を使わなくてはいけない,ということです.ようするにきちんとしたイメージを持つには固体物理を勉強することを進めますということです.
文字通り僕個人の話です.そして謝罪のための書き込みでもあります.nobuさんがそのような書き込みをしているのは承知していました.しかし「〜と思います.」と表現が断定的でなかったので再度書いたわけです.上の文章を引用すべきでした.すみません.
僕は衝突による説明は知っていますが,回路の問題でなぜそのような説明がなされるのかは理解していませんでした.これで極めて個人的な話だという事が分かるかと思います.理解の仕方は人の数だけあると思います.僕の理解の順番はおそらくnobuさんとは逆だったのでしょう.
別に何も意見に衝突は無いと思いますが,何か僕はまたまずいことをしてしまったようです.申し訳ないです(気づけない事にも).これ以上は人に迷惑をかけるのも気が引けるのでしばらくこの場から消えようと思います(見には行くかもしれませんが,書き込みはしません).
>nobuさん
返信としてはじめに書いたのは,私もnobuさんと同じ説明でした.だけど送信ボタンを押す前にふと「ききさんは現実の銅線を問題にしているのでなく,抵抗が0である理想的な導体で,電位差がないのに電流が流れるのはなぜ?…という疑問を持っているのかな」という気がして,返信内容をすべて書き直して上のようにしました.言ってみれば「超伝導体に電流が流れるのはなぜか」という疑問に対する答え. ですが私の書き込みのあとに反応がなかったところを見ると,的外れだったのかな…と思います. 補足していただき,ありがとうございます.
>コーヒー牛乳さん
んー,「間違っている」の部分を「正確ではない」とか「厳密ではない」くらいの表現にしていただけると,私もそれほどショックを受けないで済むのですけど.…ダメですかねぇ. (^^; 面と向かって議論するときに自分の立場をはっきりさせるのは大切なことだと思います.
>やかんさん
フォローしていただき,ありがとうございます.
>おこめさん
そんなまずいことはしていないと思いますけど…. なんでも自分の責任と感じていると,ちょっと息苦しいです.少し図々しいと言われるくらいで丁度よいと思いますよ.あまり気にし過ぎないでください.
>ききさん
説明がよくわからなかったら,どうぞ遠慮なく指摘してください.またの質問をお待ちしております.
もう済んだようですが・・
私も質問者に対する解答としては,山本さんの書き込みの立場をとったと思います. 質問者はたぶん理論上の回路の話をしていて,現実の導線がどうなっているかなどの話を聞きたくて質問したのではないと私には感じるからです.
おこめです. 僕は図々しい上に多くの場合間違っている→場の空気を悪くする,話がそれる→迷惑
という事でした.僕はここが良いウェブサイトであってほしいと思います.そのためには自分の存在は邪魔だと考えます.だから書き込みを控えたいと思います(傍観しているだけのほうが良い話し合いが期待できると考えるということです.だから実際は他人のためとかそんな事はほとんど考えてないのです(←図々しい)).みなさんどうもありがとうございました.
真実を見つけだすための誤解は,必要です.
おこめさん>あまり自分のことを否定しなくて良いと思いますよ.掲示板という性質上,文字でしかコミュニケーションがとれないのでいろいろ誤解が生じてしまうのはしょうがないと思います.僕も文章は気を付けて書いているつもりですが,やはり足りないことが多々ある気がします….だから書く文章はしっかりと吟味する,それでも人に不快感を与えてしまった場合はきちんと謝る,それで良いのではないでしょうか :) .そしてもう一つ,間違うことは誰でもあることで,あまりそれを気にすることはないと思いますよ.間違いに気付くことができる,これもこの掲示板の良いところだと思います.
新しい事に取り組んでいる場合には皆さんの仰るとおりです.しかし大抵の問題は1世紀〜3世紀以上も前に解決されたような問題です.しかるべき参考書にあたれば答えにたどり着きます(時間はかかりますが).
それと書き込みを控えるというのは言いすぎでした.もちろん雑談に参加したり質問(自分の計算,考えをしっかり表明するように努力します)をしたりするかと思います.僕が控えるのは自分の不確かな知識を書き込む事(今までは質問者という立場なのか回答者なのかはっきりしないので話し合いの妨げをしていたかと思います.またこれからはどちらの立場で書き込みをしているのか立場をはっきりとしたいと思います)です. この部分が抜けてると随分と違う意味になってしまいますね.すみません.
ホントはこんなものは自分で心の中で思い,実践すれば良い話です.ここに書き込むべき事ではないですが,2つ前の書き込みが原因で段々とこのような流れになってしまいました.これ以上このような事にスペースを割くのは無意味な事なのでどうぞ今までどおり楽しんでください.
名前が渡邉だと分かりにくいですね.というわけでおこめに戻します.
>コーヒー牛乳さん >物理学科の人は普段基礎的で高尚なことに取り組んでいると思いますので,応用 >面の知識が多少不足していても恥じることはないでしょう.
まずこのことをはっきりさせておきます.僕は物理学科の人間ではありません(そんな書き込み今までした事も無いのになぜそう思われたのでしょうか?).だったら何者かと思われるかもしれませんが,地方の大学は結局何をやっているのか分からないような学科,コースがたくさんあります.僕はその中の一人です.つまり物理も工学も分かりません(まず今回の2問は物理が分かっていればすぐ分かる事,高校生でも分かることだと思います.応用というより基礎中の基礎でしょう). 結局僕自身でも自分が何者なのか分からないのです. 僕は皆さんと違って(というよりコーヒー牛乳さんと違って)「大学で何を勉強しましたか?」と人に聞かれたときにすぐに答えれないし,実際にも何も勉強してないのです(振り返っても何をやってたのか分からないです).
それと最後に僕は思うのですけれども,応用だから物理の人間は解けなくて良い,だから恥じなくて良いとかそういうのはおかしいと思います.また,恥に思わなければ向上することも無いだろうと思います(僕は何にも感じなくなったら物理を学ぶ事など止めてしまえば良いと思っています).応用,つまり自然現象(気象学とかのことだと思ってください)や電気工学や建築学などなどの事についても当然専門の方よりかは時間はかかるけれども問題を解決する能力はあるべきだし,そういう面にも関心を持つべきだとも思います. これはおこめ個人の考え方であるというだけの事です.何の意味も持ちません.
おこめさん自分の質問で気を悪くさせてすいません.自分は討論に参加していただいてうれしかったですよ.難しくてあまりわからなかったですが