物理学の電磁気分野について 高校物理を学んでいますが、昔から電圧の意味が理解できません。どんな先生、

物理学の電磁気分野について

高校物理を学んでいますが、昔から電圧の意味が理解できません。どんな先生、サイトにもお茶を濁されているようでここで質問。

点電荷に対する電圧はよく分かります。しかし、それがいきなり回路においての話となり、いきなりキルヒホッフの法則が成立すると教えられても意味不明です。分からなすぎて、ただの面倒な計算にしかみえません。ある研究によれば自由電子はとても遅いなどと述べます。矛盾だらけ。誰か本質、もしくは賢いモデルをお持ちのかた、教えて下さい

質問者からの補足コメント

• 長文有難うございます。具体的に質問します。
  
  例えば抵抗を挟むと電圧降下する、これはすなわち抵抗前後の導線のなかで電子の状況がどう違うのですか？勢いが違うとすれば、キル1より電流等しいので電子密度も違う？抵抗により勢いが変わるなら、別の抵抗をさらにつなげると電圧降下の様子が変わるのはなぜですか？ここらへんが昔からの疑問です。

    補足日時：2017/11/09 01:10

No.2 回答者： お茶碗持つ方 回答日時： 2017/11/09 00:49

電圧というのは2点間の電位の差です。

つまり相対的なものです。空間の中でも、回路図の中でもこの考え方に違いはありません。

また、キルヒホッフの法則というのは電流に関するものです。「ある1点に流れ込む電流と、そこから流れ出る電流の総和は等しい」つまり、ブラックホールのように1箇所に電流が吸い込まれていったり、噴水のように湧き出して来たりするものではないということです。ですから、その1点を通過する電流の量を数値として表すことができるということになります。

また、2点間で電流が流れているということは、出所と行先の間に電位差があるということであり、その間には何某かの電気抵抗が存在しています。

もし、それが銅などの良導体だったならばその間の電気抵抗は 0 に近いため、電位差も少ないのですが、導線が酸化するなどして劣化し電気抵抗が増えると電位差も大きくなり、発熱して最悪の場合発火事故を起こすのです。

また、良導体中を流れる電流の速度は光速に近いと考えられますが、これはただの概念であり、導体中を移動する自由電子のスピードが光速に近いことを意味しているのではありません。

1つの自由電子が電位差の影響で移動し、隣の自由電子にぶつかって玉突きのように移動するのではなく、電位差がある回路の途中にある全ての自由電子が電位差の影響を受けて一斉に同じ方向に動き出すのです。そして、その影響が伝達する速さが光速に近いというだけです。
あくまでもこれは概念的なもので、電流というものが実際に流れているわけではありません。だから理解が難しいのですけれどね。

No.1 ベストアンサー 回答者： mabuterol 回答日時： 2017/11/09 00:32

まず自由電子の速度から。

一般に高校までの物理では、電流は一瞬で伝わるという前提で勉強します。
しかし現実には、音に音速があるように、電流にも伝搬速度があります。
小さな電子回路を扱う分には、速度が遅くても配線の長さが短いので、伝搬速度は無視できるほど小さいですが、
電力会社で発電所から何 km も離れた場所に送電する場合には、そういう伝搬の時間変化を考えないといけません。

これは、普通は大学の電気系の学科に進学した人だけしか勉強しない内容です。
そこに疑問を持った、あなたは大変に鋭い。頭が良いんですね。

電圧の意味が理解できないというのは、頭が悪いのではなくて、反対に頭が良いからなんですね。
本質が理解できずに、頭ごなしに教えられるのを鵜呑みにするのが気持ち悪いんでしょう？

ニュートンの運動法則で F = ma って、ありますよね。
あれは現実には成立しないわけです。
現実には摩擦や空気抵抗やコリオリ力など、色んな力が働きますからね。

でも、最初から、あれもこれも考慮して、物事を複雑にしても、本質は理解できないんですね。
むしろ最初は、エイヤと余計な部分を省いた方が、現実と少しはズレたとしても、本質が理解できる事があります。

高校までの物理で、電流は一瞬で伝搬するという前提で考えるのも、
F = ma のように、物事をシンプルにして、その本質だけ考える為の、最初の一歩と考えて下さい。
どうしても気になる時は、複雑なモデルを大学で勉強すると良いでしょう。

それを極めたら電力会社で送電の仕事をすると良いでしょう。
どの発電所からの電力を、どの電線に何秒後に送電すると、反射波と干渉して停電が…
みたいなマニアックな事を、各電力会社は考えています。


さて電圧と点電荷ですね。
これは、そうですね。金属原子と金属材料のようなものでしょうかね。

原子として単体の au 原子の性質を考える時と、金属材料として金の材質を考えるのとは、全く違いますね。
電子１個の動きを考えるのではなくて、電圧というのはアボガドロ数を越える大量の電子の全体的な性質の１つなんです。
電圧はポテンシャルエネルギーです。

電子と電子が近づけば反発します。
その反発するのを無理矢理に押し込める為には、仕事をする必要がありますね。
それがポテンシャルエネルギーとなります。

バネの反力に対抗して押す仕事は、バネの弾性エネルギーというポテンシャルエネルギーになるし、
重力に反して高さを上げる仕事は、位置エネルギーというポテンシャルエネルギーになります。
電子同士の反発に対抗する仕事は、電圧というポテンシャルエネルギーになるんですね。

こんなんで回答になってますか？