電池と電流について ―先生の授業は本当か？

・回路は、単純な設定として豆電球と電池を導線でつないだ単回路とします。

前から疑問に思っていたことなのですが・・・

(1)回路につながない電池は、正極と負極の間に電位差は生じているのでしょうか？あるいは、回路につながないと電位差は生じないのでしょうか？

(2)回路につなぐと電子が移動する（電流が流れる）その力の源は何でしょうか？電池から周囲の空間に電場が出ていて、F=qEなる力を受けているのでしょうか？あるいは、何か別の力に突き動かされているのでしょうか？

(3)以上の点をふまえて、電池を入れて、回路をつないだ瞬間から、「どのような流れで豆電球がつくのか」について、微小時間のプロセスをふまえて説明するとどのようになりますか？

学校の物理の先生が、「スイッチを入れたら光の速さで電界が広がる」と言ってた記憶があります。でも、その先生、難しい理論を言う上に説明がかなり下手で、一人も授業聞いてなかったんで、先生も意地張ってろくに授業しなくなっちゃってて、授業も荒れちゃって・・・。そんなわけで、今でも半信半疑で気持ち悪いので、ケリをつけたいです！

みなさんどのようにお考えでしょうか？
些細なことでもいいので、ご回答お願いします。

No.10 ベストアンサー 回答者： d9win 回答日時： 2004/08/21 15:20

(1) 電池は、化学反応の形で蓄えられているエネルギーを電力エネルギーとして取り出す機構だと思います。

電力エネルギーが貯まっているとも見なせます。電力はe*Vで表せます(e:電気素量, V:電圧差)。したがって、エネルギーが貯まっている電池には、必ず電位差(V)が現れます。
(2)電子の移動は"電池から周囲の空間に電場が出ていて、F=qEなる力を受けている"のだと思います。しかしながら、あまり電子の移動に囚われては本質を見失う気がします。
(3)本サイトの質問No.615057「電球が点灯する順番」が同じ問題を扱ってます。(33件の回答がありましたが結論が出てません)
私の回答もNo.32にあります。
要は、電流の本質は、電子の流れでなく電界の時間変化だと思います。

物理の先生の説明は間違ってないと思います。しかし、十分とは言えないですね。

参考URL：http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=615057

この回答へのお礼

目から鱗です(((( ；゜Д゜)))
正に、お聞きしたかったことが論議されていました！

本質問に対する皆様のご回答とあわせて、大体のイメージは掴ませていただきました。ただ、やはり電磁気学の理論を私はあまり深く学んでいないので、その考えは「保留」しといて、書物や大学で詳しく学んでから結論を出したいと思います。

d9winさんのおっしゃる通り、私は本質を捉えようとして、電子の移動を考え、それに囚われ過ぎて、結局本質を見失っていたようです。まだその本質は見えていないのですが・・・。

とても参考になりました。お礼申し上げます！

お礼日時：2004/08/21 19:53

No.12 回答者： gyopicyan99 回答日時： 2004/08/22 03:26

(1)

基本的に回路を組まずに電位を測定することは出来ません。
要するに、テスターを当てたことによって回路が作られると、
そこに電位差が生まれるわけです。ですから、電流を流すこ
となく電位のみを測定することは出来ませんし、そういった
電流がゼロの想像的な電位差は意味がありません。

１００Ｖの電線を想像してみてください。
１００Ｖの電線を触ったところで、地表面（Ｎ極）にさえ触れ
なければ、感電しません。空気が絶縁物となっているから、
そこには電流が流れておらず、電位差が生じていないのです。
ではそこで、電位差を測定してみましょう。テスターの片方を
地表面に、そしてもう片方を電線を持った人の足に。電位差が
測定できた途端に人は死ぬでしょう。

(2)
答えられません。

(3)

　　｜－Ａ－｜
　　ｖ　　　ｖ
－－[スイッチ]－[電球]－－　
｜　　　　　　　　　　　｜
－[－電池＋]－－－－－－－
※Ａはテスター

スイッチをオンした直後は、短絡状態になります。何故なら、
プラス極に近いスイッチの端子と電源のマイナス極間を、無限大の
内部抵抗を持つテスターで測定すると電源そのものの電位が出てく
るからです。（乾電池１個ならＡのテスターは１．５Ｖになる。）
それをスイッチのマイナス極側に繋ぐのですからまさにショート
状態となり、どかっと電流が流れるわけですが、ショート直後で電
位が低すぎるためまだ電球はつきません。後はＬとＣ成分で振動しながらI=E/Rとなるでしょう。あとは課題とします（笑）。
オシロスコープ片手に波形を見ながら想像してみてください。

この回答へのお礼

うーむ、質問の趣旨とは異なってますが、実際的なお話ですね。

前者の方は、鳥が感電死しないのと同じ理屈ですね～

後者の方は、短時間の変化を肉眼で捕捉できるのでしょうか？コンデンサーをつないだ回路の、スイッチON直後のI-tグラフは、微分方程式で出してみましたが・・・課題です。あと、LとCとは一体なんでしょう？

ご回答ありがとうございます！

お礼日時：2004/08/22 06:45

No.11 回答者： abyssinian 回答日時： 2004/08/21 21:35

　NO7Abyssinianです。

>えと、先生のお話、お気に障ったようでしたら、お詫び申しあげます。

　いや、批判精神それ自体は一向に構わないよ。君の批判精神を押さえつけたのではありません。(個人的な事を書くと削除対象なので書きませんが)僕は日本の一般の生徒達の過剰な服従に驚きました。このサイトで僕は、誤った情報を質問者に教えてるもののいくつかに異義を書きました。そしていくつかは削除を受けましたが、これからも書きます。だから僕は君の批判精神を尊重します。
　しかし今の問題は、教員との心情的対立で熱くなった頭のままで考えると、教員が口にした説明を、心情的に否定してしまう恐れがあります。電池のことも、その恐れがありそうだと思いました。

　そして、もし君が科学好きな少年なら、あまり、ネットや通俗科学書から断片知識を覚えない方がいいよ。ヒヨコは最初にみたものを親だと思うのと類似の刷り込みがなされてしまう。理科好きな少年は、旺盛な想像力で自己流の体系を構築してしまいがちなので、あとで苦労します。
　特に相対性理論に関しては、時代錯誤でマユツバな講釈が多いので、ネットのページや本一冊の中で、良い箇所と誤ってる箇所の判別が、まだ高校数学を学習途中では付けられないから。

この回答へのお礼

Abyssinianさん、アドバイスありがとうございます。

まさに、今の高校生は塾に行かないと勉強ができなく、その塾の講師に身を完全に委ねてますね。教師の説明が判りにくかったら、自分で考えようともせず授業を聞かない。私は塾には行かず自学自習するタイプなので、そんな周りの態度は、同じ理系として信じられませんでしたが。

ただ、やはり一人では視野が狭くなりがちなので、こうしてネットで知識を広げておくのもいいかなと思い、最近このボードを活用し始めました。ただおっしゃる通り、想像力で体系を補いがちなので、アドバイス肝に銘じておきたいと思います。

一晩考え、件のダニエル電池、やっとわかりました（汗
「Zn板をZnSO4溶液に浸しても、Znイオンが既にあるから溶けださない」と思い込んでいたので、「電位差が生じない」と思っていたのですが、それが誤りでした・・・。

お礼日時：2004/08/22 01:20

No.9 回答者： nabla 回答日時： 2004/08/21 10:10

すいません。

確かに電位差はありますね。
ただ空気は絶縁体なため電流が流れないだけというわけですか。

この回答へのお礼

そうなのですか！空気は伝導性が低いのですね。

そういう現実に即した考え方がなかなか教科書には載ってなく、自分でも考えられないので、何か科学についての本を読もうと思います。まぁ確かに、電気をバンバン通してたら怖いですけどね（汗

お礼日時：2004/08/21 19:39

No.8 回答者： psa29 回答日時： 2004/08/21 02:14

回答に対する判断は、質問者にお任せします。

金属内での電子の動きは非常に遅く、電流は速いと言うことに対して、参考書を紹介します。
「科学常識の盲点」橋本尚　著
BLUE BACKS 講談社

その本には「電気は光速で走るが、電子はミミズより遅い」という表題で、トコリテンを事例に挙げて説明しています。

断面積が１平方センチの電線に150アンペアの電流を流した場合、電流は光速で流れるが電子（自由電子）の流れる速度は毎秒１mm程度だそうです。
電子は「のろのろ」動くのだが、動けという命令は」電子から電子へと光速で伝わると表現しています。

この回答へのお礼

再度ご回答ありがとうございます。

面白そうな本ですね☆
明日ジュンク堂に行くので、早速目に通したいと思います！

他に、何か電磁気について分り易い説明をしてる本がありましたら、是非ご紹介お願します。

お礼日時：2004/08/21 19:34

No.7 回答者： abyssinian 回答日時： 2004/08/21 01:10

　ダニエルでも何でも良いが電池に関して、NO1の回答を異様に感じて驚くのが普通なのだけど、質問者がそれに同調するのを見てこっちが驚きました。

　高校教員の弾劾は置いといて、虚心に電気化学の基礎、イオンとは何か電解液に漬けた金属表面で何がどうなってるのかを学びなさい。

　次に、金属内の電子については、量子力学に基づいてない解説や物語的説明がネット上に氾濫してるのでそんなのは全部無視した方がよい(君の自由だが)。変に染まってしまうと半導体などの正しい理解の妨げになるよ。

この回答へのお礼

なるべく基礎・原理・ミクロな視点で学ぶように心掛けているつもりですが、どうであれ、私のネットでの回答に対してすぐに結論をつけようとした態度は、真に軽率であるとしか言い様がなく深く反省しております。

普段の受験勉強では、電磁気学はそういった深い認識は殆ど必要ないのでいいのですが、ふと電池と電流についてミクロに視点を移した際に、混乱してしまい、回答してくださった方の意見にすぐ同調してしまいました。

そして、#10の方のURLを見て、私自身、自分の疑問点がうまくまとまっていないことを深く認識しました。右も左もわからぬレベル故、曖昧な態度をとってしまい、ご教授下さる皆様には深くお詫び申しあげます。また、改めてこの場をお借りしてお礼申しあげます。

さっさと受験を済ませ、大学に行ってから自分で「正しい理解」というものです(TдT)

abyssinianさん、少し手厳しいご意見有難うございます。

えと、先生のお話、お気に障ったようでしたら、お詫び申しあげます。ただ、電界が関係あるのかなと思ったので、ついつい余分に書いてしまいました(==;)　

お礼日時：2004/08/21 19:34

No.6 回答者： psa29 回答日時： 2004/08/21 00:47

電流が流れる速度と電子の移動速度とは異なります。

電流はプラス極からマイナス極に向けて光速で流れますが、電子はマイナス極からプラス極に向けて、非常にゆっくりと流れていきます。

これに関しては、No.5の方が説明されてる通りだと思います。
つまり、電線の中には初めから電子が存在します。
その中に１つの電子を押し込むと、反対側から１つの電子が押し出されます。
１つ電子が押し込まれたという情報が光速で伝わり、次の瞬間に押し出されるのです。
それ故、１つの電子が押し出されるまでの間に、少し時間が必要です。
しかし、１つの電子だけに注目すると、それはゆっくりとした動きなのです。
電子は静止質量を持っていますので、もし光速度で動いたら、アインシュタインの相対性理論に基づき、質量は無限大となり、大変なことになってしまいます。

なお、電流がプラスからマイナス極へと電子の流れとは逆方向になるのは、情報の流れる方向を人がそのように定義したからです。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

電流というのは、光速で伝わる情報のようなものと捉えるべきなのですね。文字通り、「電」子の「流」れと今まで捉えていました・・・うーむ。

お礼日時：2004/08/21 19:31

No.5 回答者： tosiki 回答日時： 2004/08/21 00:27

電位差についてです。

富士山の頂上を４Vと仮定します。＾＾；
起電力１．５Vなら電位は３合目辺りですね。
※起電力０Vの場合の電位は０です。
回路に繋がない場合、電力は発生せず、起電してません。

バッテリー液の場合、-端子に-イオンが移動します。
+端子には回路からの-電子が移動した分だけ押し出されます。
（３）もこれで説明出来ます。

どんなに回路が長くても、電子が一個回路に入れば電子が一個回路から押し出されます。

※金属の持てる電子は決まっていて、飽和しているのです。ここに１個電子を入れれば１個電子が出てきてしまいます。

理論的には、３０万キロの回路でも一瞬で付くのはこういう理由です。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

「金属内に電子が詰まっていて、電子は押し出される」
というイメージを他の方もおっしゃってますが
私にはこういう根本的な考えが落ちていました（＞＜）''

お礼日時：2004/08/21 19:30

No.4 回答者： sanori 回答日時： 2004/08/21 00:01

（１）

回路につながなくても、正極と負極の間に電位差はあります。
棒磁石の周囲に磁場があるのをイメージできますか？
それと同じように、電場があるのです。

ダニエル電池云々の話をされていますが、どのような電池でも、電位差はあります。


（２）
Ｆ＝ｑＥの力を受けて、電子は移動しています。
抵抗があるので、定常状態では、一定速度で電流が流れます。


（３）
（１）と（２）を踏まえての説明は出来ません。何十段飛びの、いきなりの説明になってしまいます。（笑）

要点を説明しますと、
回路をつないだ瞬間から、電場は、導線内を非常に速く伝わり、一定になります。
電場が導線のある一箇所に伝わった瞬間から、そこの電子が移動し始めます。
豆電球のフィラメントに電場が伝わった瞬間から、フィラメントの中の電子が移動し始め、豆電球が点灯するのです。

この回答へのお礼

さっき家に帰り、#10の方の参照URLを見て、私にはまさに何十段飛びの話であると思いました(==;)　

的を得たご回答、ありがとうございました。

お礼日時：2004/08/21 19:30

No.3 回答者： he-goshite- 回答日時： 2004/08/20 22:08

(1)について

回路につながっていなくても，電池の正極と負極の間には「電位差があります」。電位差があるので，回路をつなぐと電流が流れるのです。
ではなぜ電位差があるのか(生じているのか)？　電池内部の化学反応によって，電子がマイナス極に集まっているし，プラス極には電子が不足しているから，です。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。

「電位差がある」という意見は、#1の方と対立しますが、ダニエル電池はどうなんでしょうかねぇ？

まぁ、あくまで「理論」なので、こだわり過ぎるのもNGかなと自覚はしてるのですが・・・。

お礼日時：2004/08/20 23:37