電池で電気が流れるイメージ

Question

質問させて頂きます。

１．電池で電気が流れるイメージを書いてみたのですが、私の理解は正しいでしょうか？

２．また、上記が正しい場合、電池から回路へ供給される単位時間あたりの自由電子の数が増えることで
回路の電圧は高くなりますか？

３．その他、電圧が上がる条件や方法などあれば教えて頂ければと思います。

よろしくお願い致します。

TXV12003 · Accepted Answer

＞“電池のマイナス極が単位時間当たりに供給できる自由電子の最大数”

ますます意味が分からなくなりました。
負荷抵抗が決まらない限り、単位時間当たりに供給できる電子の数は決まらないからです。
短絡させれば、電圧にかかわらずいくらでも増やせますよ。（無限ではありませんが）

TXV12003 · Answer

＞ただ、失礼ですが電池によって電位差が生じる仕組みについて本当に理解されてますか？

専門家ではないので、完全には理解していないと思います。
特に電池の「化学的」な仕組みについては特に理解が薄いかも知れません。
電界の導体内の伝播と、自由電子の移動に関して、私の認識も質問者さんと大して変わりません。

補足すると、電界は、光速より少し遅い速度で金属中を伝わります。（この速度の比は空中線の短縮率に相当します）
金属内の自由電子の移動速度はカタツムリ程度ですが、電源の＋端子と－端子それぞれに近いほう（2箇所）から移動が開始します。最後に移動開始するのは、電池からもっとも導線上の距離が離れた部分です。
電池を回路から切り離しても、電池に近い部分から電子の移動が停止し始めます。最後に移動停止するのはもっとも遠い部分です。
つまり、導体内の電子は、同時に移動開始、移動停止するのではないと言うことです。
高周波のAC電圧を印加すると、導体の右端と左端で電位が異なるという現象が発生します。

TXV12003 · Answer

>“電池から回路へ供給される単位時間あたりの自由電子の数が増えること”は

>電池そのものが持つ回路に対しての供給能力という意味で書いたつもりだったのですが言葉足らずというか、他の表現にすべきでした。

だとすると「電池から回路へ供給される」と「単位時間あたりの」という意味が分かりません。

＞電流（単位時間あたりの電荷の移動）”とは書きませんでした
だとすると「単位時間あたり」の「何」なのでしょうか　
単位時間当たりという言葉には、例えば、「単位時間に進む距離」、「単位時間に蛇口から出る水の量」、などの言葉が伴います。

それは置いておいて、
＞電池そのものが持つ回路に対しての供給能力

「供給能力」の意味も良く分かりませんが、
「流すことが可能な電流の大きさ」という意味なら、電池単体では語れません。
これも内部抵抗と負荷によって変わります。
5Vの電池と、１０Vの電池があったとして、もし５Vの電池の内部抵抗が十分に低く、負荷の抵抗値が低ければ、条件によっては５V電池のほうが１０V電池より多く電流を流せます。

TXV12003 · Answer

＞“現在の電池よりも負電荷の供給能力が高い電池であれば電位差も大きくなりますか？”という質問です。

これは当初のご質問の2番と質問内容が異なりますよね？
2の質問では「供給能力」ではなく「電池から回路へ供給される単位時間あたりの自由電子の数が増えることで
回路の電圧は高くなりますか？」という内容でした。

あくまでも質問の2に沿って回答しているつもりです。

＞マイナス側の時間当たりの自由電子の供給量を増やした場合にも電位差は大きくなると思います。

自由電子の供給量を増やすということは、回路の負荷抵抗の値を下げるということです。
これも質問の２に沿って回答しています。

＞マイナス極側から時間当たりに供給できる自由電子が増えた場合には電圧が上がらないという回答は矛盾していませんか？

矛盾していません。
電池に負荷を接続すると、「電流が流れはじめる」=「単位時間あたりの自由電子の供給が増える」=「電池の内部抵抗によって電圧が下がる」    ということです。

電池の両極をオープンにした場合は、「電流が流れない」=「自由電子の供給がゼロ」=「電圧は下がらない」  ということになります。

＞TXV12003さん自身も、No2の回答で
＞
＞＞３　電圧を上げるには、電池を直列に増やす。

単純に3の質問に沿っただけですので、これも矛盾しません。

TXV12003 · Answer

＞例えば、この“1オームの内部抵抗を持つ５Vの電池”があるとして
＞その電池よりも、マイナス極側から単位時間当たりより多くの自由電子を供給できる電池であれば
＞いずれにせよ、プラス極、マイナス極の電位差は大きくなり、電圧も高くなるのではないでしょうか？

前回のシミュレータによる実験結果だけでは不足でしょうか。

オームの法則や、分圧回路というのはご存知でしょうか。
内部抵抗1オームの5V電池に100オームの負荷をつないだ場合、電池の両極間の電圧は、1Ωと100Ωの抵抗で、5Vを分圧した値となります。流れる電流は約49.5mAです。

電池の両端の電圧は、(5V×100Ω)/(100Ω+1Ω)≒4.95Vとなり、電流が流れていない時(電子が移動していない時)にくらべて約0.01V低下することになります。

ORUKA1951 · Answer

電子と電荷を混同してはなりません。!!・・電流＝電子という大きな誤解をしたら駄目です。

電子は一切考えないで電流を考えます。そうしないと電池が理解できなくなる。

電池とは、電荷を一方から一方にくみ上げる一種のポンプで、電荷の担い手は電子であることもイオンであることも、あるいは多の荷電粒子であることもあります。電子はあくまで担い手であって本質ではない。

その誤解をしているから
＞電池から回路へ供給される単位時間あたりの自由電子の数が増えることで回路の電圧は高くなりますか？
　というとんでもない質問になる。
　回路に電子が供給される必要はありません。まったく供給していないときが最も電圧は高い。
├─┤1.5V　　電荷を組み上げるポンプがタンクに接続されていて
│-_└×出　　水（電荷）を常に持ち上げようとしている。
│-_┌×口　　出口が閉じられているときは、電圧(水圧)が最も高い
│-_│　　　　ポンプ(電池)にはどこまだ持ち上げられるか(起電力)
│-_│　　　　とどれだけ運べるか(流量)という制約がある。
│-_└　　　　　もし最大流量を越えて流れ出してしまうと、電圧は
┴──ポンプ　下がる。

閉じられている出口を開くと、そのバルブの両端の電圧差がなくなる＝すぐとなりの電圧があがる。圧力上昇（電位の変化）は、圧縮波としてパイプ(回路)内を他端に向かって進行する。電位差がある電場に置かれた荷電粒子は移動を始める。

荷電粒子は電子だろうがイオンだろうが、P半導体のホールであろうがその移動速度は遅々としたものです。1mmの電線に1A流したってナメクジ程度の速さでしか移動しない。

電圧は付随的なもので、あくまで電流が主体ですが、電流とは「単位断面を時間あたりに通過する荷電粒子の数」です。

電子を一旦忘れて、考えて見ましょう。邪魔になるだけです。一切考える必要はありません。

foomufoomu · Answer

あなたは、電圧と電流の違いを理解しないといけません。
よく、電気は、水の流れに例えられるので、ここでも水を使って説明します。

ここに噴水があって、かなり離れたところまでパイプでつながっていて、その先は送水バルブになっています。
はじめはパイプの中は空なので、送水バルブを開いても時間がたたないと噴水は出ません。これが水(電子)の流れる速さです。
水(電子)の流れる速さは、噴水から出る水の量(電流)、パイプ(電線)の太さで決まります。水源の水圧(電圧)は、水(電流)の流れる速さを決める要素にはなりません。（間接的に影響しますが）

ここで一度バルブを閉めます。パイプの中には水が詰まったままになっています。ここでバルブを開くと、ほぼ瞬時に噴水から水が出ます。この速さは水中を音が伝わる速さと同じで約1000m/秒です。これが電気が伝わる速さになります。水(電子)の流れる量は、最初のパイプが空のときと同じです。

で、質問の答えですが、
１．図の意味が分かりません。
２．自由電子の数は電流に比例します。電圧とは無関係です。（ただし、同じ抵抗だと電流を増やすには電圧を上げる必要があるので、まったく無関係でもないですが）
３．電圧は電池の起電力で決まります。

TXV12003 · Answer

＞であれば、電池のマイナス極から供給される電子(負電荷)の量が多ければ
＞正電荷の濃いプラス極側と、マイナス極側の電位差は大きくなるのではないだろうか？
電池の両極間の電位差が大きければ、電圧が高いといえます。

電池の両端の電圧がもっとも高いのは、負荷をつながず、電流が全く流れない時です。

電池は必ず内部抵抗を持っています。
仮に1オームの内部抵抗を持つ5Vの電池があったとして、電池に何も接続していない場合の電池両極間の電圧は5Vです。電池からの電子の供給はありません。

しかし、これに100オームの負荷をつないだ場合、電池から電子が供給されます。この時、電池両極間の電圧は4.95Vにさがります。

添付画像は、上記と同じ条件で簡易的なシミュレーションをしてみました。

左はスイッチを入れて負荷をつないだ状態です。
左下の電圧のグラフを見ると、左のスイッチを切った回路よりも約1%下がっているのが分かると思います。

TXV12003 · Answer

1 良く分かりませんでした

２　電子が動こうが動くまいが、電池の両端の電位差が大きいほど電圧が高くなります。
　　「電池から供給される電子が多い」＝「電流が多く流れている」＝「電池の内部抵抗での電圧降下が大きい」
という意味ですから、　電池両端の電圧は「低く」なります

３　電圧を上げるには、電池を直列に増やす。　回路を接続しない。　などです。

maccha_neko · Answer

図の意味がさっぱりわかりませんが（笑）

要するに電池によって電界がかけられることで、金属の中の自由電子が電界に引きずられ（押され）て移動します。これが電流です。

電気抵抗がゼロなら、とにかくガンガン流れるのですが、実際には「抵抗」があって、すんなり移動させてもらえないので、そうは簡単にはいきません。電子が速く動けば動くほど、あっちとぶつかり、こっちとぶつかり・・・で、大きな抵抗を受けますし、その都度エネルギーを失うことになります。
結局、電界から受け取る力と、抵抗による影響がバランスしたところで安定することになります。

大きな電界をかければその分大きな力を受け取りますが、その分抵抗が増えるので、これまたどこかでバランスします。

つまり、「電子の流れが増えるから電圧が上がる」のではなくて、「電圧が上がるので、電子の流れが増える」わけです。

ただ、「抵抗に電流が多く流れるほど両端の電圧（電圧降下）は大きい」というのも、”数式上”では正しい表現なので、回路の計算などでは便宜的にそうした考え方もしているというだけで、あくまでも「電子は自ら移動しようとしているのではなく、電界に引きずられて動いているだけ」です。

電池で電気が流れるイメージ

＞“電池のマイナス極が単位時間当たりに供給できる自由電子の最大数”

この回答への補足

＞ただ、失礼ですが電池によって電位差が生じる仕組みについて本当に理解されてますか？

この回答への補足

>“電池から回路へ供給される単位時間あたりの自由電子の数が増えること”は

この回答への補足

＞“現在の電池よりも負電荷の供給能力が高い電池であれば電位差も大きくなりますか？”という質問です。

この回答への補足

＞例えば、この“1オームの内部抵抗を持つ５Vの電池”があるとして

この回答への補足

電子と電荷を混同してはなりません。

この回答への補足

あなたは、電圧と電流の違いを理解しないといけません。

＞であれば、電池のマイナス極から供給される電子(負電荷)の量が多ければ

この回答への補足

1 良く分かりませんでした

この回答への補足

図の意味がさっぱりわかりませんが（笑）

この回答への補足

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