プラスチックやガラスの絶縁体に、ある程度の電圧を印加しても電流は流れませんが、この場合(電圧を印加しているとき)、絶縁体の中では、何らかのエネルギーが増えているのでしょうか?増える場合、どのようなエネルギーが増えるのでしょうか?
それとも、電圧を上げて、電流が流れて初めて絶縁体の中でエネルギーが増えるのでしょうか?

同じような話なのですが、全抵抗10Ωの銅線の回路に、電圧100Vの電池2個を同じ方向(直列)に繋げば、20Aの電流が流れますが、この際電圧100Vの電池2個の向きを、反対になるように、2個繋げば電流は流れません。この場合(電流が流れていない場合)、回路の中では何らかのエネルギーが増えているのでしょうか?

A 回答 (5件)

>抵抗の両端に2個の直流電源を接続して閉じた回路を作り、1個1000万ボルトの電圧を抵抗の両端から、抵抗がサンドイッチになるように反対向きに印加した場合・・・・


●2個の電源の向きが逆方向でしょうか?それだと絶縁体の両端にかかる電圧は0Vなので電流は流れません。
静電容量(C)は電圧の大きさに関係なく、電極の距離、面積、絶縁体の誘電率によって決まるものです。
それよりも100万ボルトという超高圧ですと、1m程度の銅線なら空気絶縁が破壊されてしまいます(空中放電)。
また、絶縁体と抵抗とは違います。絶縁体は理想的には抵抗値が無限大のものを想定しますが、抵抗は電流を流すことを前提としています。

>絶縁体(静電容量をゼロとしないとする)に両端からどんどん電圧を印加した場合、電流が流れるまでは、エネルギーが蓄積されていきますが、絶縁破壊した場合、両端から反対向きの電流が流れ出しますが、最終的には、銅線の場合のように釣り合ってエネルギーの蓄積はゼロになるのでしょうか?
●まあ、そういうことです。等価的にはコンデンサーに電圧を印加して、絶縁破壊の場合はそれが抵抗に変わるか、もしくは抵抗を並列に挿入するのと同じです。
向かい合った電極の全面で絶縁破壊があるのなら前者、一部分で絶縁破壊があるのなら後者と言うことになりますが、電極は一点でしょうから後者のケースはないでしょう。

なお、詳しくは存じませんが、バンド理論は絶縁体や導体の性質を説明できるものであって、ここではそれはさておき、絶縁体や導体の性質を踏まえて電磁気学や電気理論で考えるものと思います。
たとえば材料力学を考える場合に、量子力学の立場まで踏み込んで考えないのと同じことだと思います。
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この回答へのお礼

お返事ありがとうございます。

>なお、詳しくは存じませんが、バンド理論は絶縁体や導体の性質を説明できるものであって、ここではそれはさておき、絶縁体や導体の性質を踏まえて電磁気学や電気理論で考えるものと思います。
●ご回答を拝見して、完璧な電気屋さんであることがよくわかりました。明確な結論(ご回答)は間違いないと思います。でも、高電圧でサンドイッチに印加された金属や絶縁体の中(禁止帯や伝導帯、励起云々)が、どのようになっているのか。物理屋さん的な答えも併せて知りたいです。贅沢申しまして、すいません。

>たとえば材料力学を考える場合に、量子力学の立場まで踏み込んで考えないのと同じことだと思います。
●その通りですね。材料力学を使う機械屋さんも、量子力学まで考えて計算する人はほとんどいないでしょう。

お礼日時:2006/05/03 23:40

>ある程度の電圧を印加しても電流は流れませんが、


⇒印加した瞬間だけ電流は流れます。

>何らかのエネルギーが増えているのでしょうか?
⇒印加された電圧による帯電と静電容量に応じたエネルギーが蓄積されています。この分、帯電前(帯電圧0v)に比べて増加したと言えます。

>電流が流れて初めて絶縁体の中でエネルギーが増えるのでしょうか?
⇒電源から流出した電流(電荷)が絶縁物に移動、蓄積されたと言うことです。絶縁物保有のエネルギーはその分増加ですが、電源でその分失っています。

後文章について
電圧が打ち消されて電流を流す力(電圧)がないので、電流は流れませんね。エネルギーは、移動も消費もしていないことになります。

#いったい、何を確認したいんでしょうか?エネルギー不滅の法則との関係ですか?
 
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一体どのような状態を考えてのことでしょうか?



絶縁体の抵抗をほぼ無限大と考えているのと同様に、電極間の静電容量もほぼゼロと考えなくてはなりませんが?

電圧を1000万ボルトに上げても、理屈は同じです。
ツェナーダイオードにおいても、それが導通する前と導通した後とで等価回路に置き換えて考えれば良いだけのことです。

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。
>一体どのような状態を考えてのことでしょうか?

抵抗の両端に2個の直流電源を接続して閉じた回路を作り、1個1000万ボルトの電圧を抵抗の両端から、抵抗がサンドイッチになるように反対向きに印加した場合につきましては、銅線の太さは5mm程度、長さは1m程度で、現実に市販の銅線を使用した状態です。市販の銅線に、1000万ボルトの電圧を印加した場合、静電容量はほぼゼロになるのでしょうか?それとも無視できないのでしょうか?

現実には、両端から1000万ボルトの電圧が印加されても、電流が流れてないので抵抗の内部は何事も起きていないような静かなものなのしょうか?


>ツェナーダイオードにおいても、それが導通する前と導通した後とで等価回路に置き換え>て考えれば良いだけのことです。

わかりました。

新たな疑問です。絶縁体(静電容量をゼロとしないとする)に両端からどんどん電圧を印加した場合、電流が流れるまでは、エネルギーが蓄積されていきますが、絶縁破壊した場合、両端から反対向きの電流が流れ出しますが、最終的には、銅線の場合のように釣り合ってエネルギーの蓄積はゼロになるのでしょうか?

量子力学でバンド理論というのがありますが、どのような理論なのでしょうか?上記の現象は全く関係ないのでしょうか?


素人の取り留めのない疑問で申し訳ございませんが、よろしく御願いいたします。

補足日時:2006/05/03 22:01
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絶縁体の中では、電場のエネルギーが増加します。


絶縁体と絶縁体に接触(又は近接)している電極によりコンデンサが形成されます。
その容量をC、印加した電圧をVとすれば、0.5xCxV^2Jのエネルギーが蓄えられます。

電池を逆に接続した時には、外部に現れる電圧はゼロなので、エネルギーもゼロです。

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。

>その容量をC、印加した電圧をVとすれば、0.5xCxV^2Jのエネルギーが蓄えられます。

わかりました。

>電池を逆に接続した時には、外部に現れる電圧はゼロなので、エネルギーもゼロです。

例えば、10オームの抵抗があり、その両端に2個の直流電源を接続して閉じた回路を作り、1個1000万ボルトの電圧を抵抗の両端から、抵抗がサンドイッチになるように反対向きに印加した場合、やはり電流は流れないので(エネルギーゼロなので)、何の変化も起こらないでしょうか?イメージ的には、電流が流れなくても、抵抗内部に両端から電圧が印加され押しくら饅頭になって、エネルギーが蓄積されているような気がするのですが、抵抗内部は静かなものなのしょうか?(P=IVからすれば確かにエネルギーゼロですが、イメージが湧きません。)

ツェナダイオードという半導体があります。ある電圧になると、雪ダルマ式に電流が流れる素子ですが、これは、電流が流れない電圧のときには、エネルギーが蓄積されているのでしょうか?やはり絶縁体と同様に、0.5xCxV^2Jのエネルギーが蓄えられるのでしょうか?

補足日時:2006/05/03 12:46
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エネルギー保存の法則の観点から、エネルギーが増えるという言葉は適切ではないと考えます。



さてご質問の件ですが、絶縁体(もしくは抵抗体)で消費されるエネルギー(熱エネルギーに変換)は、E*E/R ですからR(抵抗値)が無限大とすれば、エネルギー消費はゼロと言うことになります。
後者の場合は、I*I*R ですから Iがゼロならば同様にエネルギー消費はゼロと言うことになります。
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Q回路に電流が流れないのはなぜか?

すいません、下記サイトの第2問の問3番の解説を読んでいただけませんか。
わからなくて困っています。
そこの記述で、

「題意より、回路図は右図(上)のようになる。但し、
導線は等電位なので、中央にある上下の2つの抵
抗には電流が流れない。(V = RI より電位差がなけ
れば電流は流れず、抵抗としての機能をしない)」

とあるのですが、分かりません。
記述のとなりにあります図だけ見ていただきたいのですが、
なぜあのような抵抗の回路では、中央上下ふたつの抵抗には
電流がながれないのですか。「等電位」というのに気付きません。
お願いします。

http://www.ftext.org/center/phys1_2008_ver1.pdf

Aベストアンサー

解説は上下の抵抗の左右に電位差が無い事を理由に電流が流れない事を説明しております。(電位差が有って初めて電流が流れるので)

電位差が無い説明は他の方の説明を見れば判ると思いますが一応参考までに説明します。
「同一の銅線上の電位差は0V」
(例:回路図において、左上の抵抗右の導線と、中上の抵抗左の間の導線には電位差が無い)
なので、抵抗を挟まない導線は全て同電位。
したがって、中上の抵抗の左右、中下の抵抗の左右共に同電位となり、中の上下の抵抗には電流が流れないと言えます。


別の説明です。(オームの法則より)

2Ωの抵抗と4Ωの抵抗が並列回路で並んでた場合は、オームの法則より2Ωの抵抗に2倍の電流が流れます。
4Ωと1Ωだった場合は1Ωに4倍の電流が流れます。
この事から
:並列回路において、流れる電流は抵抗に反比例する。

これを踏まえて、解説図の中は上下に抵抗が有り、真ん中が抵抗がない(0Ω)状態です。

この様な場合、並列回路の特性を当てじゃめると、流れる電流は「上R/銅線の抵抗」になり、問題の理論上導線の抵抗は0Ωなので、導線に流れる電流は抵抗と比較すると∞倍(無限大)の電流になります。(下Rに付いても一緒)

これを満たすケースは「抵抗に電流が流れない」しか無いので、抵抗を無い物として扱う事が出来、真ん中の図の様な回路に置き換えられます。

解説は上下の抵抗の左右に電位差が無い事を理由に電流が流れない事を説明しております。(電位差が有って初めて電流が流れるので)

電位差が無い説明は他の方の説明を見れば判ると思いますが一応参考までに説明します。
「同一の銅線上の電位差は0V」
(例:回路図において、左上の抵抗右の導線と、中上の抵抗左の間の導線には電位差が無い)
なので、抵抗を挟まない導線は全て同電位。
したがって、中上の抵抗の左右、中下の抵抗の左右共に同電位となり、中の上下の抵抗には電流が流れないと言えます。
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