直列回路に電球が３つある場合、どの順番に点灯するか？

私は素人ですので用語に誤りがあってもご容赦願います。

これは昔持っていたブルーバックスシリーズに載っていた問題です。
解答も載っていたと思いますが忘れたのでここで質問させて頂きます。

地球から太陽くらいの距離の超巨大な直列回路があり、電球が３つ、それぞれ隣の電球まで等しい距離に付いているとします。電源は直流とします。

この回路のスイッチを入れた場合、電球はどの順番に点灯するのでしょうか？
(1)陽極側から順番に点灯する。
(2)陰極側から。
(3)全て同時に。

電子の移動速度は光速に等しいと思いますが、電線の中では抵抗があり相当ゆっくりなはずです。地球から太陽くらいの距離があれば、光速で移動しても７分以上かかりますからスイッチを入れてから一番遠くの電球が点灯するのは数分経ってからなのでしょうか？それとも、電線中の自由電子は全て一斉に動き出し、スイッチを入れた瞬間に点灯するのでしょうか？

詳しい方、できれば専門家の方の意見を聞かせてください。
よろしくお願いします。

No.1 回答者： Mr_Holland 回答日時： 2007/10/31 01:57

　専門家ではありませんが、次のように考えられるのではないでしょうか。

　先ず、次のことが前提にあることを確認させてください。

ａ）３つの電球は一直線上になく、３つの電球から等距離にある点が存在する。
　　⇒　電球が点灯した順序の観測を保証するため。
ｂ）３つの電球と電源、スイッチは次のように接続されている。
　　　（電源＋端子）－（電球Ａ）－（電球Ｂ）－（電球Ｃ）－（スイッチ）－（電源－端子)
ｃ）回路を作って（スイッチは断)十分な時間がたってから、スイッチを入れる。

　これらの前提が置かれていたとすれば、答えは、
　「(2)陰極側から順番に点灯する。」
ということになるかと思います。

　理由は次の通りです。
１）スイッチを入れる前までは、３つの電球とも(電源＋端子)と同電位にあり、スイッチの(電源－端子)側は(電源－端子)と同電位にある。
２）スイッチを入れることにより、スイッチの（電源＋端子)側から徐々に電位低下が起こり、（電球Ｃ）で最も早く電位差が生じ、その後、(電球Ｂ)、（電球Ａ)の順で電位差が生じる。

この回答へのお礼

設問の仮定に不備がある中、回答頂きましてありがとうございました。

他の回答者様の回答と合わせて参考にいたします。
ありがとうございました。

お礼日時：2007/10/31 23:26

No.2 回答者： tadys 回答日時： 2007/10/31 09:13

答えはスイッチに近いほうから点灯するです。

電池ースイッチー電球ー電球ー の順でも
電池ー電球ー電球ースイッチー の順でも同じです。

電子は質量があるので速度が光速になる事はありませんし、
電線の中ではさらにゆっくりになります。
スイッチを入れたときに移動するのは電場の変化でこれは光速度で移動します。

この回答へのお礼

設問に不備があり申し訳ありません。
No.15で補足しましたが、電球Ａ，Ｃが同時で送れてＢが点灯するということでしょうか。
ありがとうございました。

お礼日時：2007/11/01 00:22

No.3 回答者： Denkigishi 回答日時： 2007/10/31 10:03

（１）３つの電球が並列になっていて距離が離れている場合は、電源に近いものから点灯します。

（質問外の場合）
（２）直列の場合は全て同時に点灯します。
電線には端から端まで自由電子が充満しています。スイッチが入ると陽極にホールが出来ます。ここに電線から電子が移動し、その後に隣の電子が移動、これが連鎖的におきて、最後は陰極からでた電子が最後のホールを埋めます。このような電子の移動が大量に連続的に起こった場合マクロ的には電流が流れたと観測されます。従ってマクロ的には電線内の自由電子が同時に隣の席に動きます。回転寿司のコンベアの寿司は全て同時に動きますが、あれに似た感じです。

この回答へのお礼

設問に不備があり申し訳ありません。
No.15で補足しました。
ありがとうございました。

お礼日時：2007/11/01 00:27

No.4 回答者： TXV12003 回答日時： 2007/10/31 10:32

専門家ではありませんが知っていることを述べます。

電子の移動速度は、銅の場合秒速１ｃｍくらいです。アリの行列より遅い速度です。

ただし、回路全体へ電子の移動が伝わる速度は光速に近いです。

次に、電源から離れた場所にある場合。
スイッチが切れている時は、スイッチを境に電位差がある状態なので、スイッチを入れた瞬間、スイッチ付近の電子が移動を開始します。徐々にスイッチから離れた場所の電子も移動開始します。
そして電球の辺りの電子が移動し始めるとその電球が点灯します。

従って、スイッチに近い電球から順番に点灯することになります。

この回答へのお礼

設問に不備があり申し訳ありません。
No.15で補足しました。
ありがとうございました。

お礼日時：2007/11/01 00:28

No.5 回答者： himara-hus 回答日時： 2007/10/31 11:50

電流が流れることにより、電球は点灯します。

電流は直列接続されている線上で、連続です。（ある部分だけ電流が流れると言うことはできません）
つまり、同時に点灯します。
但し、瞬間的に明るくつくのではなく、実際にはそれだけの距離があれば電圧に対して電流遅れが発生し、じわじわと明るくなると言う感じでしょう。

この回答へのお礼

設問に不備があり申し訳ありません。
No.15で補足しました。
ありがとうございました。

お礼日時：2007/11/01 00:29

No.6 回答者： TXV12003 回答日時： 2007/10/31 11:58

Ｎｏ．４です。

補足します。

３つの電球が同時に点灯することは絶対にありません。
私は専門家ではありませんが、それだけははっきりしています。

情報の伝達が光速を超えることは不可能です。

もし同時に点灯するとすれば、物理法則を打ち破る、夢の超光速通信が可能になってしまいますよ。

この回答へのお礼

設問に不備があり申し訳ありません。
No.15で補足しました。
ありがとうございました。

お礼日時：2007/11/01 00:30

No.7 回答者： harihorere 回答日時： 2007/10/31 12:50

No.5さんの回答に一票入れます。

太陽の付近で電線がもし断線していた時のことを考えてみてください。
電子が移動していって電球が次々に点滅していくけど、最後に断線に突き当たって、慌てて「今のは無し！」って戻っていくことになるかと言うと、もちろんそんなことはありません。

電線内の電子は、地球－太陽間で電線が断線していないことを最初にきちんと確認してから皆一斉に流れ出します。従って、点灯するのは同時だと思います。

この回答へのお礼

設問に不備があり申し訳ありません。
No.15で補足しました。
ありがとうございました。

お礼日時：2007/11/01 00:31

No.8 回答者： TXV12003 回答日時： 2007/10/31 13:45

断線していた場合ですね。

電気回路の基本ですが、電流は電位差があるところに流れます。

次のような回路を考えてみましょう。

電源の＋　Ａ－－－－電球1－－－－－－－－－－電球2－Ｂ
電源の－　Ｄ－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－Ｃ

電源の＋、－間には１０Ｖの電圧が掛かっています。（電線は抵抗のない理想導体とします。）
ＢとＣは断線しています。Ｂのすぐ近くに電球２があります。

まず最初に電源の＋、－をそれぞれＡ、Ｄに、繋ぎます。

そうすると、電球２つを含むＡ－Ｂ間すべてが＋１０Ｖの電位となり、Ｄ－Ｃ間は全て０Ｖの電位となります。

（Ａ－Ｂ、Ｄ－Ｃの距離が長い場合は電位が同じになるまで、しばらく待ちましょう。）

ＢとＣは、切ったスイッチと同じです。
この時点で既に、ＢとＣの電位差は１０Ｖになっています。
ＢとＣを繋ぐとどうなるでしょうか。最初から１０Ｖの電位差があるのだから、即座にその部分で電流が流れるのは当たり前のことですよね。
当然Ｂのすぐそばにある電球は、すぐに光ります。
電流の流れはＢ－Ｃ付近で始まり、光速に近い速度で電球２のほうへ電界が伝わっていきますが、光速を超えることは出来ません。

従って、先に電球２が点灯、次に電球１が点灯します。

お分かりいただけたでしょうか。

この回答へのお礼

設問に不備があり申し訳ありません。
No.15で補足しました。
TXV12003さんの説明は理解できました。
スイッチに近い電球から点灯する、ということでしょうか。
ありがとうございました。

お礼日時：2007/11/01 00:36

No.9 回答者： TXV12003 回答日時： 2007/10/31 14:34

ついでに、次の例で考えてもＯＫです。

水源＋の水面高さ１０ｍ　Ａ＝＝水車1＝＝＝＝＝＝＝＝＝水車2＝Ｂ
水源－の水面高さ　０ｍ　Ｄ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝Ｃ

水源の水の量は巨大ダムのように無尽蔵の水があり、多少の水の流出では水位が変化しないものとします。

水路Ａ－Ｂは、全て高さ１０ｍの水で満たされています。
水路Ｄ－Ｃは、全て水面の高さ０ｍです。
ＢとＣの間には仕切り板があり、ＢとＣの水面の高さの差は１０ｍです。

ここで、仕切り板を取り外すと、ＢからＣへ水が流れ始めます。
水が流れ始めるのは、Ｂ－Ｃ付近から始まります。
Ｂに近い水車2は、すぐに回り始めます。
水路全体の水が流れ始めるには時間がかかります。

従って、水車2が先に回りだし、次に水車1が回ることになります。

この回答へのお礼

分かり易い例で再度説明していただきありがとうございました。

お礼日時：2007/11/01 00:39

No.10 回答者： Tacosan 回答日時： 2007/10/31 15:00

#7 はちょっと無理がありすぎ....

そもそも「太陽-地球間で断線していないこと」を, どうやって電子が確認できるんだろ?