中２理科　電池の説明の疑問

Question

学研編「ニューコース中２理科」の21ページに
「◆電源の役割
　電池などの電源は，その内部に自由電子をたくさんもっていてそれを送り出しているわけではない。回路をつくっている物質の自由電子を動かすポンプのような役割をしている。電池が弱まるのは，このポンプのはたらきが弱くなるためである。」と記述されています。

疑問点
　乾電池は，ボルタ型電池を原理として化学反応で自由電子を発生させて回路に供給しているはずです。この記述では 電池以外の、回路を構成する導体の中の自由電子を動かして電流を発生させている，と解釈できます。

　単なる記述の間違いなのでしょうか？それとも、私の知識不足なのでしょうか？

　どなたか、ご教授を よろしくお願いいたします。

ORUKA1951 · Accepted Answer

>乾電池は，ボルタ型電池を原理として化学反応で自由電子を発生させて回路に供給しているはずです。
　は、まったく間違っています。
　一番よくわかるのは、(理想)電池は、回路をつながないとまったく電流は流れないこと。
　両方の電極はともに電子を押し出そうとしている。しかしその力に差があるために電位差が生じる。(電子を取り込もうとしている考えても同じ)
　・・でもそれだけ・・・
　回路につながると、回路から電子を受け取ったり、回路に電子を与えられることが可能になり、はじめて流れ始める。

　コンデンサは、電池と異なり一方に電子を蓄えて、一方は空っぽにして、それぞれ電子を与えたり受け取ったりでき、内部で電子を移動させないので、あなたの言う「回路に供給しているはず」という部分だけは説明が成り立つかもしれない。

htms42 · Answer

「ポンプ」という説明は「電池は電子を循環させているだけで生み出しているものではない」ということを強調したいからです。
「池」というイメージで考えてしまうと電子のストックがあってそれを次々と回路の中に流し込んでいると考えてしまいます。「蓄電池」という言葉はもっと「溜まっている」というイメージが強いです。

水の詰まったパイプの途中に循環用のポンプがついているというのが一番簡単なイメージですがこれだと起電力がイメージできません。くみ上げポンプである高さ分持ち上げて流すと考えると電位差のイメージが出てきます。流れの初めと終わりに落差が生じているはずだからです。ポンプは一番高さの低い所に設置します。流れ込んでくる水の溜まる場所が必要です。それをポンプでくみ上げて流すのです。
水の溜まる場所を考えていますので、ダメだといった「池」を考えているではないかといわれるかもしれませんね。「池」と違うのは出て行く水と同じだけ水が流れ込んでくることです。ポンプの力が弱くなると落差分、水を持ち上げることが出来なくなります。
「ポンプ」のイメージで理解しようというときには「循環させる」というほうに重点があります。水は循環しているのですから「全体量は変わらない」、「出て行った水と同じだけが戻ってくる」ということを意味しています。

ところがあなたの理解は電池の仕組みが化学反応によるものだというところまで進んでおられます。反応でどんどん電子が送り出されるのではないのかと考えると「循環」と合わなくなるのです。

水に対応するものは電子です。
電子が循環しています。
電子を送り出すような反応が起こります。別のところで電子を取り込むような反応が起こります。この２つがなければ電流は流れないのです。水の場合は重力の働きで低い方に流れますので押すと引きの両方が必要というイメージはないのですが電池の場合は送り出しと取り込みの両方が必要です。それで循環が成り立っています。水とポンプのたとえだけではうまくいかないということになります。
（電池を解説している本のなかには押し出しさえ出来れば電流が流れると書いているものがあります。間違いです。）

電子の移動が起こるような反応は酸化・還元反応と呼ばれているものです。電子を放出する物質は酸化された、電子を受け入れる方の物質は還元されたと言います。試験管の中でやれば２つの物質が接触して変化が起こります。この反応を引き離して別々の場所で起こるようにしたのが電池です。電子の移動は直接接触で起こるのではなくて導線を通って起こります。電流が流れると必ず両方の電極の表面で物質の変化が起こっているのです。
ダニエル電池で説明します。（ダニエル電池の構造は調べてみてください。）
負極では金属の亜鉛がイオンになって溶け出します。その亜鉛原子の持っていた電子が電極表面に残ります。
正極では溶液の中にあった銅のイオンが電極表面にくっつきます。電子を取り入れて原子になります。電極の金属の銅と同じものになるのです。この２つの変化が離れた所で同時に起こります。
負極の亜鉛電極はどんどん減っていきますが正極の銅電極ははどんどん増えていきます。
これを１つの試験管の中でやれば亜鉛板の上に銅が析出するという変化になって観測されます。
Ｚｎ＋Ｃｕ^(2+)→Ｚｎ^(2+)＋Ｃｕ
です。
銅めっきの起こる原理と同じになります。

中学生だということですからイオンでの説明は習っていないかもしれませんね。ちょっと背伸びをしてください。

isa-98 · Answer

＞中２
電気はところてん式に伝達してんだよ。　つ＾＿＾）つ

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9C%E3%83%AB%E3%82%BF%E9%9B%BB%E6%B1%A0

イオン化したので安定しようと
いらない電子を押し出したり足りない電子を吸収しているだけ。

つまり、電子はあまってない！　つ＾＿＾）つ

電子があまる→原子が崩壊する→電池は使用後に軽くなる。
ならないんじゃないの？

＞化学反応で自由電子を発生させて回路に供給しているはずです
別に逆に動いても自由じゃないの？

fukuyie · Answer

４です。
間違えてました。半導体のことだったらしいです。

Tacosan · Answer

微妙だけど間違っていないといえる. 「自由電子を送り出す」というのももちろん正しいんだけど, それを駆動力として「回路をつくっている物質の自由電子を動かすポンプ」になっています.
パイプのイメージで行くなら, 「もともとパイプには水が詰まっていた」ということです. 「からのパイプに水を流す」ということではありません. 水道の蛇口をひねって出てきた水は「浄水場にあった水」が出てきたわけではなく, ひねる直前まで水道管の中にいた水ですよね.
なお, 導体内の電子の移動速度は「数 mm/s」程度なので, 人が歩けば余裕で追い越せます.

fukuyie · Answer

＞電池以外の、回路を構成する導体の中の自由電子を動かして電流を発生させている

電池から発生した電子が電線や電球などの閉じた回路の中の正孔を電子が順に移り替わっていくことで電気が流れるんだったと思います。
ポンプと表現されているのは、川のように電子が溢れてきてだらだらと流れ出るんではなくて電圧をかければかけるほど正孔が増えてよりたくさんの電子が移り変わってゆくさまを表してるんだとおもいます。
ですからいくら電池の中に電子があっても電子が移動しようとする力がなくなれば電気は流れません。

はるか昔なので正直自信ないけどこんな感じです。

wild_kit · Answer

電気を通すものは、その中に自由電子を持っています。
これを水の入ったホースに例えます。
一方電池は水が入ったポンプです。
つなげるとポンプの中の水がホースの中の水を押します。
すると反対側から押し出されたホースの水が、ポンプ内に戻ってきますね。
添えた絵でイメージが湧きますでしょうか？？
　多分、こういうことです。

noname#142909 · Answer

間違いでは有りません
パイプの中に水を通す様なイメージをお持ちだと思いますがそれだと長い電線の場合到達するために時間がかかりますね
実際のイメージはところてんを後から押している様な感じと言ったらわかりますかね

Turbo415 · Answer

良く理解しにくいのですが、記述の間違いではないようです。
http://www.geocities.jp/hiroyuki0620785/battery/cellgen.htm
を参照してみてください。
私には余りよく理解できませんでしたが。

中２理科 電池の説明の疑問

>乾電池は，ボルタ型電池を原理として化学反応で自由電子を発生させて回路に供給しているはずです。

「ポンプ」という説明は「電池は電子を循環させているだけで生み出しているものではない」ということを強調したいからです。

＞中２

４です。

微妙だけど間違っていないといえる. 「自由電子を送り出す」というのももちろん正しいんだけど, それを駆動力として「回路をつくっている物質の自由電子を動かすポンプ」になっています.

＞電池以外の、回路を構成する導体の中の自由電子を動かして電流を発生させている

電気を通すものは、その中に自由電子を持っています。

間違いでは有りません

良く理解しにくいのですが、記述の間違いではないようです。

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