物質による電気の伝わるスピード

Question

ご存知の方ご教示ください。
電柱の電線に60Hzの交流電圧がかかっています。
電源の片端を地面に接地しておりますので、地面と電線の間に電圧がかかっていると思ってください。
電源から1kmの位置で木が倒れ掛かって木を介して地面と短絡したとして
①電源→②電線→③木→④地面→⑤電源（接地側）の回路において
②電線を流れるスピードと④地面を流れるスピードは違うのでしょうか？
同じだとうれしいのですが、物質の誘電率で違うとの検索結果もあり違うのであれば
どのくらい違うのかもご教示いただけると助かります。

zcbmadgj1 · Accepted Answer

No.9です。
質問者さんが何を勘違いしているのかが分かりました！
電流が、電源　→　電線　→　木　→　地面　→　電源の接地側　の順番に流れると思っているのですね？

実は、電流は、以下の順番で流れます。
（１）電源に近い電線の部分で流れ始め、同時に電源に近い地面でも流れ始める。
（２）やがて、中間距離（５００ｍ地点）の電線と、地面でも電流が流れ始める。
（３）木に近い部分の電線と、気に近い部分の地面でも流れ始める。
（４）最終的に木に電流が流れる。

zcbmadgj1 · Answer

Ｎｏ．９です。

＞電源の直近の入口と出口で同一機器（オシロ）で電流波形を計測し立ち上がりの時間差X(s)を計算し1/2すると木までの距離がわかるのかなと思いまして・・

入口と出口という意味が分かりませんが、電源に近い部分で測定しても時間差は発生しません。
電源の電線につながっているポイントと、地面につながっているポイントでは、どちらも瞬時に電位差が発生するからです。

あくまでも電池から木の方向へ向けて信号が伝わります。

交流電源ではややこしいので、5Ｖの電池をつないだ場合を考えてみます。

添付画像ですが、
電線の到達時間を３０ｎｓとして、パソコン上で実験してみた結果です。
電池の＋5Ｖ端子（＋端子）には長い電線がつながっています。
電池の０Ｖ端子（－端子）は地面に接続され、電線と同じ距離離れた場所にある木につながっています。

オシロ画面は、電池がつながれた瞬間からの経過を示しています。

Ａは電源部分での電位、Ｂは木のてっぺん部分の電位です。
図で分かる通り、ＡとＢは時間差があります。これは、長い電線と地面を電界が伝わるのにかかった時間の差です。

実際の測定は、Ｃの位置にプローブを繋ぐと、時間差を測定できます。

zcbmadgj1 · Answer

電場は流れるものではなく、電源から徐々に遠くに伝わるものです。
木が最も電源から距離が離れているので、
電場は、
A 電源→電線→木
B　電源（接地側）→地面→木
の順番で、AとBの同時進行で伝わります。
銅線の場合は秒速２０万kｍ程度、地面のほうはそれよりも遅くなるため、
最終的に電場が最後に到達する場所は木に近い地面のポイントになるでしょう。

なお、電荷を伝えるもの（電線のなかの自由電子など）の移動速度は、秒速数ミリメートル程度で、カタツムリ程度の速さです。（ただしこれは群速度なので正確な言い方ではありません）

lupan344 · Answer

一点が接地された電源系統で、電流が伝わる速さを考えた場合は、到達時間は、片道になるんじゃないでしょうか？
大地を伝わって電源に戻ると考えたら、距離は２倍になるから、到達時間は2倍になりますよね？
考え方はいろいろあると思いますが、接地部は無限の容量の電荷を受けられると考えたら、電流（電荷）は接地部に流れ込んでいくだけで、電源に戻らないと考える事も出来ます。
逆に電源側では接地部から無限に電流（電荷）を取りだせると考えれば、接地部から電源に戻る電流の伝わる速さを考える事自体が無意味なような感じがします。
そう考えると、電界の変動もほとんどは空気中（空気の比誘電率＝1.00059）でおこるので、電流が伝わる速度はほとんど真空中の光速度に近くなります。

tknakamuri · Answer

>アースを通って閉回路を形成するから電気が流れる、
>という考え方は、電気回路を作るときには
>役に立つのだと思いますが、実際にアース（地面）を
>電気が流れているわけではないと思います。

いや、これは考えすぎでしょう。例えばこれが直流の話なら
変位電流は0ですから、電流はあくまで電荷の移動です。

計算したことはありませんが、高々60HZでは変位電流が支配的に
なるとは思えません。

また電磁エネルギーの流れを電流と同一視するのは話を
ややこしくするだけでしょう。この2つは別々に扱うべきです。

電磁エネルギーの伝わる速度と電荷の速度はまるで異なります。
質問がどちらを求めているのかは不明です。

isoworld · Answer

No.5さんの回答と重複する部分がありますが‥‥初歩的な理解では、電気の流れは①電源→②電線→③木→④地面→⑤電源（接地側）のような電気回路として、行って戻って来るモデルの説明でもいいのですが、電気エネルギーの伝わりは電線と地面で構成される空間を通って電源から負荷の方向に（反射はありえますが）伝播します（ポインティングベクトルで説明されます）。
その速度は光速よりも空間にある物質（ほとんどが空気でしょうが、電線の被覆材料や地面の構成物質も関係します）の誘電率の分だけ遅くなります。電線と地面で構成される空間を伝わるので「電線を流れるスピード」と「地面を流れるスピード」という考えはなじまず、分けられません。

chiha2525 · Answer

電気を電荷の流れと考えると間違えてしまいます。
電気の本質は電磁波で、速度は誘電率に依存しますが、ほぼ光速です。
”電線を流れる電気”は、電荷は電線の中を動きますが、それらが造る電磁場は周りの空間に広がり、つまり電気は電線の周りの空気中を流れます。
このような実際の電気の流れに近い考えにコンデンサーモデルというものがあるようです。

アースを通って閉回路を形成するから電気が流れる、という考え方は、電気回路を作るときには役に立つのだと思いますが、実際にアース（地面）を電気が流れているわけではないと思います。これはカミナリを閉回路で説明するのと同じ感じでしょうか。

実を言うと私も良くは理解していない部分があるので説明に苦しいところがあるのですが、アースや閉回路やコンデンサーモデルといったあたりの話は、結局は同じことなのかも。

rabbit_cat · Answer

「電気の流れる速さ」が何を指しているのか、少し曖昧ですが、おそらく電場の伝わる速さ（信号やエネルギーの伝搬速度）のことですかね。

電場の伝わる速さは、透磁率と誘電率で決まります。普通の電線であればだいたい、真空中の高速（秒速30万キロ）の1/2〜1/3程度です。
土の中では誘電率が高いので、もう少し遅いと思われます。

tknakamuri · Answer

スピードって電子の速度でしょうか?

地面だと電荷を運ぶものはイオンとかもありそうですが
広い面積を通して動くでしょうから、より遅くなるでしょうね。

勿論電流の総量は同じじゃないと、どこかに電荷が詰まって
しまいます。

Saturn5 · Answer

電子の流れる速さは異なりますが、電流の流れる速さは同じです。

すなわち、浄水場から離れたところで蛇口をひねると水がすぐに出ます。
これが電流の速さです。水道管の太さなどには関係ありません。
しかし、浄水場から送った水が蛇口から出るのは数分～数十分後です。
これが電子の流れる速さです。水道管の太さや水圧で変化します。

物質による電気の伝わるスピード

No.9です。

Ｎｏ．９です。

電場は流れるものではなく、電源から徐々に遠くに伝わるものです。

一点が接地された電源系統で、電流が伝わる速さを考えた場合は、到達時間は、片道になるんじゃないでしょうか？

>アースを通って閉回路を形成するから電気が流れる、

電気を電荷の流れと考えると間違えてしまいます。

「電気の流れる速さ」が何を指しているのか、少し曖昧ですが、おそらく電場の伝わる速さ（信号やエネルギーの伝搬速度）のことですかね。

スピードって電子の速度でしょうか?

電子の流れる速さは異なりますが、電流の流れる速さは同じです。

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