物質内の電荷移動について

「通常の導体中(導体の２点間)を定常電流が流れる際には電位差(このとき
電荷には電場が作用している)が必要であるという経験的事実からは、物質内
の電荷移動はどのようにイメージされるか。(これはジュール熱の発生原因と
密接に関連している)」

という問題について回答を宜しくお願いします。

No.1 回答者： chukanshi 回答日時： 2001/12/22 01:22

坂道を石ころの集団が転がっていく場合、石ころと坂道の間で摩擦がおきて運動エネルギーが放出され、石ころの速度は一定になっている。

坂道の落差＝電位差
石ころ＝電子
石ころの集団＝電流
摩擦による運動エネルギーの放出＝摩擦熱の発生
石ころが坂道を転がっていく＝電荷移動

No.2 回答者： hagiwara_m 回答日時： 2001/12/23 16:27

電気伝導現象の本質(例えば力学描像)は何かという問題は、非常に大きなテーマで、まだ分っていない面があると言ってもいいくらいです。

私自身も大いに興味を持っていますが、それだけに、かえって簡単にお答えすることが難しいです。貴殿自身の見解や、「こう考えるとここが矛盾する、、」などの具体的疑問があると書きやすいのですが、、与えられた課題のようにも見受けられますし、、

本来なら、次のような、電気伝導を扱う際の３つの困難性の話から考え始めねばなりません。一つは、電源を導体につなぐことは果たして電場を印加することと同じかという問題。もう一つは、熱によるランダムネスをどう取り入れるかという問題。そして、導体の端の電極部分で起こる現象をどのように扱うかという問題です。
これでは大変なことになってしまうので、とりあえず、簡単なコメントをいたします。定常的に電流が流れるということは、電場中で電荷がもつ位置エネルギーが完全に散逸してしまうということです。この散逸の原因は、電荷担体(電子としましょう)が格子(導体を構成する原子と思って下さい)から受ける散乱(衝突と言っていいでしょう)ですが、これは、散乱の素過程(一回の衝突)にエネルギーの損失(格子振動や電磁波の発生など)があることを要請するものではありません。絶対零度でない限り、原子と電子が完全弾性衝突しかつ原子の運動は起きないと考えても散逸が起こります（この効果の方が第一義的です）。温度は系にランダムネスを与えますが、そのために、常に電場方向以外の運動のエネルギーが生み出され、結果として系の内部自由度に関するランダムな運動エネルギー、すなわち熱が発生します。古典力学、量子力学どちらでモデルをつくっても、導体が完全周期系ならば、散逸は起こらず、電荷担体は加速して定常電流にならないことに注意して下さい。

ときどき見かける誤った説明に、電子が原子にぶつかる度に停止し、そこから改めて加速し出す、この状態の平均速度がドリフト速度である、というような記述がありますが、本質から外れております。ランダムネスを有する多体系であることが、この場合の散逸現象、すなわち、電場中の位置エネルギーから熱エネルギーへの転換が起こることの本質です。ついでに申しますと、電子が多体系の性質を失ってしまうと、有限温度の格子から散乱を受けても散逸が起きなくなります。これが超伝導ですね。

電気伝導の問題の面白さと困難性については、次の本が参考になります。
川畑有郷：「メゾスコピック系の物理学」／培風館(新物理学シリーズ31)

No.3 回答者： noname#5014 回答日時： 2002/01/17 06:33

物質（金属）の中では、正の電荷を持つ原子核がきれいに並んでいる。

電子は、その周りの隙間を自由に動き回っている。
普段は、原子核がきれいに並んでいるせいで、電子も均一に分布している。
しかし、電位差が生まれると、電界が発生し、場所を固定されていない自由な電子は、押し流されて、電流が流れることになる。
電子は移動する時に、原子核にがんがんぶつかるので、失われた運動エネルギーが、ジュール熱となって外に逃げる。

かなり厳密性は欠きますが、高校くらいのイメージ的にはオッケーでしょう。

No.4 回答者： hagiwara_m 回答日時： 2002/01/17 12:48

No.2のお答えはやや不親切だったかも知れません。

少々補足をいたします。

電流キャリアとしての電子の動きを、釘にぶつかりながら斜面を下るパチンコ玉に見立てることは、差し支えありません。しかし、パチンコ玉の運動エネルギーが、釘との非弾性衝突によって失われて、これがジュール熱になるというのは間違いです（こういう効果も少しはあるが主要でないという意）。

釘の配置に少しでも乱れがあると、玉と釘が完全弾性衝突を繰り返したときに、個々の玉の速さは変わらなくても、多数の玉の速度の向きは相互に無秩序になっていくのです。この、無秩序な方向の運動エネルギーが、熱です。

もちろん実際には、電子系だけでなく、格子系の運動にも熱エネルギーが分配されて物体の温度が定まりますので、電子－原子間の運動エネルギー交換は起こっています。ただし、電子から原子に運動エネルギーが移るだけでなく、その逆も起こることに注意して下さい。電子が原子にぶつかることによって、かえって速くなることもあるということです。