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電子の流れが電流らしいが、1個の電子が光速で移動するのか?直流は向きが一定だが、向きが反対になる交流ではどんな動きをするのか?振動するのだとも聞くがなんともちんぷんかんぷんだ。分かりやすい説明お願いします。

A 回答 (8件)

他の方の回答通りで、『電気』というのは純粋なエネルギーで、電子とは関係ないです。


イメージするとしたら、電圧が電気だと思ってよいかな。水道管モデルでいうなら水圧、片方の口(入口)に水圧を加えると、もう片方の口(出口)に同じ水圧がかかる。水分子はほとんど移動してないけど、圧力は光のはやさでもう片方の口まで伝わる。水分子の代わりに電子に置き換えたのが電気。なので電気が流れれば電子も動くのだけど、電子の動きが電気ではない。ただ電流はその電子の動きで定義されている、って感じですね。

また、水道管モデルやトコロテンイメージが間違えているのは、電気の速度。電気が、金属などの媒体中を伝わると考えると速度が1~2割ほど遅くなる、つまり電気は媒体中を伝わっていないのです。表皮効果といって、交流の場合その”電気”のほとんどが表面を流れる・・などと言われるのだけど、先ほど書いたように媒体中を流れているわけではないので、表面の電子がより引きずられるというだけの話だったりします。でも知らなければ不思議な話。

この電気の話は理系の大学生でも知らない人が多くて、『電気の正体が電子で、電気は電子の流れだ』と間違って思い込んでいる人が沢山います。
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もひとつ補足しておくと、


電線を電磁波は光速では伝わりません。
導線の分布容量と分布インダクタンスで
速度が低下して、場合によっては数分の一
くらいまでになってしまいます。
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直流の場合


電線の中の「個々」の自由電子の平均「速さ」は光速の0.5%くらい。
個々の電子の移動する速度は、向きが散乱によってバラバラなので
#数十nm飛んでは原子と衝突して向きが変わります。
足し合わせて平均をとると、~ 0.1 mm/s くらいと
カタツムリ並みになります。これをドリフト速度といいます。

個々の電子の「速さ」とは別物であることに注意。
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イメージとしてはミミズの速度。

但し、ところてん状態で押し出されるので、瞬時に流れるように思われる。その、ところてん間の押し出しの伝わるのが光速。
 と、高校生程度には説明されますね。イメージできますか?

因みに、同じ理由で、太陽の位置に豆電球を置いて、地上で電池に繋いだ場合(豆電球のあかりが十分見えるとして)、光った!と見えるのは(25分後でなく)16分40秒後です。電池のマイナス極から出た電子が電球を通ってプラス極に戻ってきて初めて電気が通じて点灯するのでなく、マイナス極から出ていくのと同時に、プラス極に引き込んでいくので、8分20秒で(太陽の位置で がっちゃんこ して、)電気が通じるのです。
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なんか、電子が押されたとか、ところてんだとかいい加減な回答が多いなぁ。

そんなことで、光速になるわけがない。

まず、電気の実態は、電磁波なのです。空間を光速で伝わりますね。
電磁波は、空間は自由に伝わりますが、金属がある場合には、そこを線路のように伝搬します。実態は電磁波なので、光速で伝わるってことですね。
なんで金属があると、電磁波はそれを線路のように伝わるのか? それは、金属の中の自由電子と相互作用するからなんですね。

英語で、Wireless と言いますが、これは、先にWireを伝わる電流が実態だと思って、あとで、金属がなくても空間を飛ぶんだ・・・とわかったので、WireがLessというわけですが、実態は逆ということ。もともと、電磁気は、空間の現象。そこに、金属があるときだけ、線路にガイドされるかのようにふるまう・・・ってこと。自由電子は、その場をほとんど動きません。非常にゆっくり動くというか、揺り動かされる・・・というイメージです。
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>>電子の流れが電流らしいが、1個の電子が光速で移動するのか?



ちがいます。 
電線を例にお話しします。

電線のような導体には『自由電子』が詰まってます。
そこの電位差を与えると、負極側から電子が供給されます。
たとえば1個の電子が供給されたとします。
すると、電線の反対側から電子が1個出てきます。
この速度、つまり『一方の端から電子が入り、他方から電子が出る』速度が光速です。
しかし、入る電子と出る電子は違います。
ようするにところてんなんです。
ところてんの速度が光速なのです。
これは交流でも同じです。
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導線は金属などの多数の原子でできていますよね


しかもその中にはどんくさい電子も無数に含まれています
だから、1この自由電子がこれらの粒子にぶつからずに移動するというのは難しいです
ほぼ確実に衝突を起こすことでしょう
そうなるとブレーキがかかって光速に到達することはほぼ不可能です
ということで、平均すると電子1個1個は光の速度には達していません(かなり遅いとされています)
ただし 電流の伝わる速さはほぼ光の速さに等しいといわれます
ですから300000000m=30万キロメートル離れたところまで導線を引っ張って(往復60万キロの回路を作る)
その端に電球をとりつけた場合、もう一方の端にあるスイッチを入れたときには電気がつくまでおよそ1秒かかるといえるでしょう
(光の速度が秒速30万キロですから)

で、直流では基本、電子は一方通行です
しかしながら、交流では個々の自由電子が反復横跳びのようにほぼ同じ場所を行ったり来たりしているものと考えられます
左右に伸びた導線中に存在する多数の自由電子がタイミングをそろえて反復横跳びのような動きをしているところをイメージしてください
ある瞬間は自由電子が全体的に右へ移動していますし、次の瞬間では自由電子が全体的に左に移動している様子が目に浮かぶはず
この電子全体の動きに伴って、ある瞬間電流は左向き、次の瞬間電流は右向き
これが規則正しく繰り返されるのが交流電流です

以上概論でした
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>1個の電子が光速で移動するのか?



いいえ。「電子のところてん」がずりずりと流れるイメージです。端っこを押すと、「押された」ということが光速で先端に伝わるようです。
電子の流れ自体は、電流によって異なりますが、おおよそ 1 mm/s 以下のようです。

交流は、単に「しょっちゅう向きが変わって」いるだけで、電子はほとんど動いていません。
物質や物体の運動というよりは、「場」と考えた方がよいようです。
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