ｗ さんの書込 (2005/08/22(Mon) 01:53)

自分は今高２生です．質問ですが，敢えて新スレでします．自分は中学時代電気を習い， 何も疑問を抱かずに「回路に電池をつなげば電流が流れる」と理解してきましたが， 高校で電位電界を理解していくうちに電気回路の矛盾のようなものに気づき混乱し， 行き詰まっています．ここにいる電気に詳しい方々に是非救済して頂きたいです． 自分の考えを書くので間違いを指摘してください．

（−電池＋）――――抵抗――――（−電池） ＡＢＣＤＥＦＡ

↑の図は一周してると考えてください．

（自分の考え） 電池の性質によりＢ，Ａはそれぞれ＋，−に帯電しているので，Ｃ，Ｆはそれぞれ −，＋，Ｄ，Ｅはそれぞれ＋，−に帯電する．ＢとＡの電荷によって作られる電界（右向き）は ＣＤ間のＣとＤの電荷によって作られる左向きの電界によって打ち消される．同じようにＥＦ間では ＥとＦの電荷によって作られる電界（左向き）に打ち消される．そしてＡとＢの電荷による電界の打ち消されて ない部分（ＣＤ間）とＣとＤの電荷による電界（右向き）が重なって抵抗に電界をつくる．この電界によって 抵抗中の電子は抵抗内を移動できるが，抵抗を出ると電界はないため電子は移動できないと思う． 長くなってすみません．

山旅人 さんのレス (2005/08/22(Mon) 08:44)

> 電池の性質によりＢ，Ａはそれぞれ＋，−に帯電しているので，Ｃ，Ｆはそれぞれ−，＋，Ｄ，Ｅはそれぞれ＋，−に帯電する．

から誤解されているようで，意味不明ですよ． ＢはＡより <b>電位が高い</b>，ＤはＥより電位が高い（抵抗の両端はＤ，Ｅですね？），です．帯電はしません．

篠原 さんのレス (2005/08/22(Mon) 11:45)

はじめまして．工学系の3回生，篠原と申します．

通常，電池の電位差(起電力)は，すべて抵抗にかかると考えます． こう考えると，電界は抵抗内でのみ生じるため，抵抗内で電荷(電子)は移動し，電流が流れるが，導線には電界がかかっていないため，電流が流れないように思われるかもしれません．

しかし，実際には起電力は抵抗にのみかかるのではなく，導線にも電位差が発生します．導線中の電子は，この電界から力を受けて，電流として流れることになります．

導線の抵抗は，抵抗器や電球などの抵抗に比べて十分に小さいものです．したがって，起電力のほとんどは抵抗にかかると考えてよいため，通常は導線での電圧降下は考えなくて良いのです．しかし「導線内で全く電界が存在せず，電流が流れていない」というわけではありません．

ｗ さんのレス (2005/08/23(Tue) 01:50)

といことは同一銅線部分でも正確には等電位ではないということですよね．それとさっきの図で抵抗の大きさを３Ω流れる電流が３Ａだとおいたとしても正確には電池の起電力は９Ｖにならないというのはあってますか？（電池の電圧は銅線などでも降下してるため）

山旅人 さんのレス (2005/08/23(Tue) 11:24)

>> ｗ さん あなたがこだわっていらっしゃる 『正確には』 は，どこまで意図されているのでしょうか．

ほとんど水平と思える平野を流れる川の水が，厳密には高い場所から低い場所に向かって流れているのと同じことで，確かに 「同一銅線部分でも正確には等電位ではない」 は正しいといえます．

『正確に』 を３Ω，９Ｖ のような測定された量（数値）にあてはめてみましょう． 総ての物理事象は時間の流れの中でわずかの幅で揺らいでおり，われわれはそれの <b>時間的（場合には空間的）平均値</b> を求め，事象として認識します． すなわち，「正確には電池の起電力は９Ｖ」 の <b>一定の値を保っているのではない</b> のです．

しかし，そのようなことを気にすることは枝葉末節・重箱の隅をつついて穴を開けることに等しく，ほとんど益がありません．

われわれが物理現象を理解しようとするとき，あまたの枝葉を払い落とし幹の部分だけを取り出します．このことを <b>モデル化</b> といいます．こうすることにより現象を記述する方程式が単純になり解きやすくなるのです．

枝葉にこだわるのではなく，太い幹の上を目指しどんどんよじ登ってほしいと思います．

ｗ さんのレス (2005/08/23(Tue) 11:59)

えっと電池の起電力が一定の値を保たないということを言ってるのではなくて・・・旅人さんは詳しいようなので，教えてほしいのですが，

（−電池＋）――――（−抵抗＋）――――（−電池） ＡＢCＤ Ｅ ＦＧＨＡ −＋− ＋ −＋ − ＋−

この電荷の帯電配置はただしいのでしょうか？

山旅人 さんのレス (2005/08/23(Tue) 12:28)

> この電荷の帯電配置はただしいのでしょうか？

正しくありません． 初回のレスに書いたように，電位の高低はありますが，帯電（電荷を帯びる，たまる，滞る）はしていません．

ｗ さんのレス (2005/08/23(Tue) 13:07)

帯電するという書き方が間違ってるのでしょうか？帯電ではなく電子や正孔が多く存在するならおｋということですか？

山旅人 さんのレス (2005/08/23(Tue) 13:46)

> 帯電ではなく電子や正孔が多く存在するならおｋということですか？

これも違います．ｗさんは，電池の＋極から電流が （実は−極から自由電子が） 流れ出すことをダムに貯えられた水が放水されるようなイメージで捉えていらっしゃるようですが，そうではありません． 流れ出す水はつねに（現在進行形で）低地から汲み上げられている，正電荷も電位が低い場所から高い場所に <b>電池によって運び上げられる</b> （具体的には，電池内部で起こる <b>化学反応</b>） のです． ですから，場所により量の多少はありません．

もひとつ．半導体内部ではなく通常の電気回路が対象の場合には，正孔というものを考える必要はありません．

ｗ さんのレス (2005/08/23(Tue) 14:01)

え？でもその地形の高低をつくってるのは電子や＋電荷ではないのですか？

山旅人 さんのレス (2005/08/23(Tue) 14:55)

なんだか，いままで学習してきた断片的な知識がごちゃ混ぜになっていらっしゃるようですね．

金属など導体の中を動き回ることができる電子を自由電子をいい，原子核のまわりを回る（束縛された）電子と区別します． 上のレスは電流（自由電子の流れ）についての話です． 束縛された電子については，そこにある原子核の違いから電子の密度（局所的な存在量の多少）の違いはあるかもしれませんが，それは電流とは無関係，電位の高低とも無関係で，さらに <b>地形の高低とも無関係</b> です．

ｗ さんのレス (2005/08/23(Tue) 15:27)

間違えました．上のは自由電子のことを言っています．

山旅人 さんのレス (2005/08/23(Tue) 15:56)

> <b>上の</b> は自由電子のことを言っています．

どこを（何を）指しているのですか？

ｗ さんのレス (2005/08/23(Tue) 17:55)

高低をつくってるのは自由電子と自由電子がなくなった部分（陽イオン）ではないですか？という意味です

山旅人 さんのレス (2005/08/23(Tue) 19:30)

（地理的な高さの） 高低をつくってるのは自由電子と自由電子がなくなった部分（陽イオン）の作用がが作り出したものでは <b>ありません．</b> 地球の <b>マントルの対流</b> に伴う <b>プレートの移動</b> とそのせめぎ合いによって起こる <b>造山運動</b> で大地の <b>隆起</b> が起こることが原因です．

（閉回路内で電位の） 高低をつくってるのは自由電子と自由電子がなくなった部分（陽イオン）の作用が作り出したものでは <b>ありません．</b> 上 （Ｎｏ．６５２５のレス） にも書いたように，電池内部で起こる化学反応により <b>自由電子がより位置エネルギーが低い状態に運ばれた （＝正電荷がより位置エネルギーが高い状態に運ばれた）</b> ことによります．

ｗ さんのレス (2005/08/23(Tue) 20:08)

では電位の高低を作ってるものはなんですか？

山旅人 さんのレス (2005/08/23(Tue) 20:46)

ですから，「電池内部での <b>化学反応です</b>」 と申しあげているではありませんか．

ひょっとして，「化学反応を起こしているのは電気的に起因する力（起電力，ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅｆｏｒｃｅ） だ」 と主張したいのですか？ その通りですが，そのような立場＝学習態度からは，自然の合理的な理解に寄与する何ものをも得ることはできないでしょう． 他のスレッドにもいくつか書いたように <b>益がない</b> のです．

ｗ さんのレス (2005/08/23(Tue) 21:45)

なんかあんたムカツクな〜．さっきも高低のこと聞いたらプレートのことだと思ってるし．お前ただのばかだろ？電気についてちょっと詳しいくらいで図に乗るな

nemo さんのレス (2005/08/23(Tue) 22:14)

横からすいません． nemoと申します．

>wさん そんな言い方はないと思いますよ． 少々言葉がきついとは思いますが，よく読み返してみてください．

そして，山旅人さんのおっしゃっていることで どこがわからないのか？どう考えてどうわからないのか？を 書くとよいと思いますよ． 自分も勉強は苦手な身でこんなえらそうにすいません．

ちなみに高低の話は"地形"の話と"電位"の話の2種類出てきているために 山旅人さんは両方についての説明をなされていらっしゃるみたいですよ．

帯電とはなんなのか？ 電池の性質とはなにか？ 電流が流れるとはなんなのか？ をもう一度教科書かなにかで確かめて見てください． それでも最初の質問のような疑問が解決しないのなら その点をまたレスしてみては？

山旅人 さんのレス (2005/08/23(Tue) 22:19)

nemo さん，ｆｏｌｌｏｗ 有り難うございます．

ｗ さんのレス (2005/08/23(Tue) 22:31)

分かってるよ．俺が高低とかいう単語を使うとあんたはは電位のことを意図してると分かってるくせに，いちいちイチャモンつけて故意的にそのままの意味でとらえてるんだろ？自由電子を意味して使った電子も何を言おうとしてるか分かってるのに，電子そのままの意味で説明しだす．俺の質問に親切にレスしてくれるのはうれしいけどいちいち人の日本語批判されたら腹たつにきまってんだろ． そう言いながら質問続けたいけどいいかな？ さっきの図で電池の起電力は抵抗だけでなく，銅線にもかかると思うのだけど，もしそうとしたら抵抗にかかる電圧と電池の起電力は違うよね？

篠原 さんのレス (2005/08/23(Tue) 22:37)

山旅人さん，ｗさん，お二方とも相手を誹謗中傷するのはやめましょうよ．

ｗさんの言い方は確かに悪いと思いますが，それを受けて相手を挑発する山旅人さんの態度も大人気ないと思いますよ．

＞ｗさん 「帯電する」ことに，こだわっていますね． 物質を帯電させると，確かに電位の高低(電位差)を作ることは出来ますが，そのほかにも電位差を作ることは可能です． 回路の電源として電池を使えば，化学反応を利用しますし，コンセントからの100V交流電源を適切な回路で直流に直すこともできます． また，充電したコンデンサで，一時的に帯電を利用して電位差を作ることも出来ます(電流を流すと，すぐに電圧が低下しますが)．

電位差が出来る原因を知るには，電池の中で起こっている化学反応などを知る必要があります(私には分かりませんが)． それよりも，知りたいのは，たいていの場合回路の動作ですよね．この場合，電池などの直流電源により，回路に電位差が与えられているものとして，回路を解析したほうが良いでしょう．電池の中身について考える必要がありませんし．

ｗ さんのレス (2005/08/23(Tue) 22:51)

確かに帯電するといのに拘っていました．自分は化学も勉強してるので電池のことは分かってるつもりです．電池の＋極に＋イオンがたまり，−極に自由電子がたまって電位差をつくはず．ただ銅線内部でどこかが帯電してるというのは間違っていました．スミマセン．そして今しりたいことは，電池による電位差は間に銅線を挟んでいるので，起電力の大きさがそのまま抵抗にかかるとは考えられないということです．

篠原 さんのレス (2005/08/23(Tue) 22:56)

はい．通常，金属にも抵抗が存在します． そのため，導線に電流を流すとオームの法則に従い電圧降下(電位差)が発生するため，起電力は抵抗での電圧降下と異なります． ほとんどの場合，導線での電圧降下は無視できるのですが． （距離がとても長い，導線が細い，ニッケルなどの抵抗率の高い金属を使う，などの場合は無視できないでしょう．）

山旅人 さんのレス (2005/08/23(Tue) 23:14)

>> 篠原さん，ｆｏｌｌｏｗ 有り難うございます．

> 相手を挑発する山旅人さんの態度も大人気ない

nemo さんの厚意を見ずに書いたためわずか１分ほどで消去したのですが，ｊｕｓｔｔｉｍｉｎｇ で見られているものですね．大人気なさ，恥じ入ります．

私も，電位差の発生にはいろいろな原因があること，そのひとつである電池の起電力を理解するには地形の高低をアナロジーとすることが有効であることを意図していたのですが，表現力が未熟だったようです． （最後の１文，追加しました．）

ｗ さんのレス (2005/08/23(Tue) 23:37)

銅線の抵抗が０だとしても電池からはなれて電位差は小さくなっているから，この場合も抵抗にかかる電圧とちがいますよね？

篠原 さんのレス (2005/08/23(Tue) 23:44)

導線の抵抗が完全に0オームだったとすれば，導線はすべて等電位となるため，起電力は抵抗での電圧降下に等しくなるでしょう． 超伝導には詳しくないので，どのようにして電流が流れるのかは，私には分かりませんが．

ｗ さんのレス (2005/08/24(Wed) 00:17)

http://www.geocities.jp/hiroyuki0620785/k1dennki/dennkinonogaew.htm

電流はこのように流れるのになぜ等電位なの？

とおりすがり さんのレス (2005/08/24(Wed) 01:55)

No.6508に篠原さんが書かれているとおりです． 完全に等電位なのではなく，近似的に等電位なのです． そしてｗさんのいう， 電池から抵抗素子が離れていてそのままの電位差が抵抗素子にかかるとは思えない場合 というのは，銅線が長い結果銅線の抵抗が無視できなくなった場合のことです． 物理の問題ではそんなに長い銅線は考えず銅線の抵抗を0と近似するので電池で発生する電位差が抵抗素子にそのままかかるとかんがえます．

リンクの図では抵抗素子がないため電位差が銅線，ナトリウム，銅線の３つだけに分配されます． また，銅線だけに焦点を当てて考えた場合，抵抗素子がある場合と何が違って電位差を無視できたりできなかったりするのかというと， 抵抗素子がない場合は流れる電流が非常に大きくなるので，オームの法則より，銅線の持つ小さな抵抗による電位差が無視できなくなるのです．

とりあえず，教科書にかいていることや山旅人さんや篠原さんが書いていることが正しくて，ｗさんのイメージが間違っているのは間違いないので， 自分の考えのどこが間違っているのかという見方で読み直したほうがいいと思います．

ちなみに，もともとの問題の抵抗をコンデンサーに置き換えた場合はｗさんのイメージ通り（図を正しく読めているのか自信が無いけど，たぶん）になり，電流は流れません．

篠原 さんのレス (2005/08/24(Wed) 03:04)

導体が等電位であることは，次のようにして説明できます．

「抵抗が十分小さい物質の中で，仮に電界が存在したとする． すると，物質中の電子は電界から力を受け移動し，電界を打ち消す方向へ動くことになる． これにより，物質内部での電界はすべて0になり，導体は等電位となる．」

リンク先の図，何か疑問に思いますか？ 金属の場合，最外殻の電子は，どの原子にも束縛されていないため，電界から力を受けて自由に動くことが出来ます．このため，ナトリウムは金属(導体)となります． 自由電子でも，電界に加速されて走っているうちに，何かの原子に衝突してしまうことがあります(散乱といいます)．このため，電界から受け取ったエネルギーは熱に変わってしまい，金属でもごく小さい抵抗を持つことになります． また，この自由電子を持たないような固体は，電界から力を受けて自由に電子が動き回ることが出来ないため，絶縁体(半導体)となります．

ｗ さんのレス (2005/08/24(Wed) 09:24)

詳しい説明ありがとうございます．お二人が言ってることは理解できるのですが，なんかがつっかかってるというか・・・さっきのせた図でも動いてる電子が電界を打ち消してるということですよね？

――――――――――――――――― ―――――――― ＋――｜−＋｜――→ ＋――｜−＋｜――→ ＋――｜−＋｜――→ ＋――｜−＋｜――→ ―――――――― ―――――――――――――――――

さっきの図の場合こうなりますよね？電池が作り出す電界というのはあくまで＋イオンによるものだから，↑の図の1番左端を電池の＋極とし，そこにある＋イオンの電荷をq（C）とおいた場合，ある点Pの電位VはV=ｋ0q/r k0:静電気力定数ですよね？ こう考えると抵抗素子によってエネルギーが奪われなくても，＋イオンから離れていくだけでエネルギーは減少するということはないですかね？たぶん何かが違うんだとは思うんですが・・・頑固ですみません

ｗ さんのレス (2005/08/24(Wed) 09:34)

ちょっと追加．さっきの電界を打ち消す図ですが，よく考えると電池から離れれば離れるほど電位はあがるけど，動いてる＋電荷（ほんとは自由電子）に近づけば近づくほどまた電位もあがるからさしひき０になるということかな？でも動いてる本人の＋電荷は電池の影響だけだからエネルギーは減少するような・・・

とおりすがり さんのレス (2005/08/24(Wed) 12:26)

ｗさんが勘違いしているのは V=ｋ0q/r の式です．この式は確かに点電荷一つの場合は正しく，この式を足し合わせると一般の場合も正しいのですが，今回この式を使って考えるのは不可能です． なぜなら，この式を使って考えるには銅線の側面（空気との接触面）にたまる電荷なども考慮に入れなくてはならず，話は非常に複雑になります．

電気力線って知ってますか?今回のような場合電気力線を使って考えるのが最もわかりやすいはずです．もし知らない場合は電気力線の粗密が電界の強度を表すことを参考書か何かで調べてください． そうすればかなり疑問が消えるはずです． また，電子が動いていても陽子と電子の数がその時々で等しいため銅線内の電荷は±０になり，動いている電子が作り出す電界は無視してよいはずです．

とおりすがり さんのレス (2005/08/24(Wed) 12:41)

篠原さんのNo.6550をみてよく考えたのですが，

山旅人さんが言っている 「帯電はまったく起こらない」 というのは間違っていると思います．

ｗさんの言っているイメージもよく考えたところそんなに遠いものではありません． もし，抵抗素子の両端に電荷がたまらないようなら，銅線を貫く電気力線の数と抵抗素子中の電気力線の数も一致するはずですよね? そうすると V=Ed ｖ：電位差 E：電界 ｄ：距離 の式により電位差は長さｄだけによるようになってしまうため，銅線にほとんどの電位差が割り当てられるという間違った状況になります．

抵抗の両端に電池が作る電位差のほとんどを打ちけすように電荷がたまるものの，打ち消しきれないため電流が流れ続けるのだと思います．

雰囲気から，ｗさんが間違っていてほかの人が正しいのだと思い込んでいましたが， いまでは，ｗさんの言い分もわりと正しかったのではと思っています．

ちなみに僕は気が向いたときにしか書き込まないので悪しからず．

ｗ さんのレス (2005/08/24(Wed) 13:23)

電気力線などはよく知っています．電界の強さがどこも変わらないということもわかりますが，V＝ｋ0ｑ/rがつかえないとすると・・・混乱してきました

山旅人 さんのレス (2005/08/24(Wed) 13:30)

もう本スレッドに書き込むのを止めようと思っていたのですが，最後にひとつだけ．

>> とおりすがり さん > 抵抗素子の両端に電荷がたまらないようなら，銅線を貫く電気力線の数と抵抗素子中の電気力線の数も一致するはずですよね? 違います．<b>一致しません．</b>静電誘導による金属内部の無電場化と本件を混同してはいけません．

篠原 さんのレス (2005/08/24(Wed) 14:41)

＞とおりすがりさんへ

大学生以上の方でしょうか？ ポアソンの方程式において，1次元で考えた場合，ラプラシアンは位置での2階微分となります． 今，電界をE(一定)と置き，物質の長さをdと置いて物質両端での電位差をV=Edとおいたとき，物質内で電位は1次関数的に変化しますよね． ポアソンの方程式， にVを代入すると，左辺は0になり，よって となります．つまり，この物質内に実質的に電荷は存在しないという結果が得られます． これは，電位や電界の仮定が間違っているわけではなく，「帯電をする」ということが間違っています． （ｗさん，ここに書いてあることは大学以上で電磁気学で習います．今はわからなくても気にしないでください．）

だんだん，どこを疑問に思っているのか，わからなくなってきました． どこまで理解できたのか，どこがまだ疑問に思っているのか，一度まとめて見てはいかがですか？

ｗ さんのレス (2005/08/24(Wed) 15:14)

では長くなったので続きは新スレに書きます．