電圧と電子と電気エネルギーの関係は？

乾電池と豆電球を例に教えてください。
(1)電子１個の電荷は変わらない。とすれば、電子は
　どうやって電気エネルギーを運んでいるのか？
　電流は自由電子だから、原子内の高い軌道にいる
　ことでエネルギーが高いというのとは別の話？
(2)電子は豆電球を通る前と後でどう変わるのか？
(3)電圧は電子の密度？電圧と電気エネルギーの関係は？

No.1 回答者： maccha_neko 回答日時： 2009/11/30 07:51

物に電圧をかけるというのはそこに電界を作るということです．電子は電界に引っ張られる形で力を受けます．金属なら自由電子が電界に引っ張られて移動します．これが電流ですね．

電圧というのは，電子を移動させようとする力であると考えれば良いでしょう．

で，電子がスーッと移動できるなら何の損失もなく（超伝導はこの状態）て良いんですが，現実にはそんな都合良くはいきません．電界によって力を受けて加速したとたんにあっちの原子に激突，こっちの原子にぶつかる・・という具合でエネルギーを失って減速・・再び電界で加速されては激突して減速・・という具合で全体としてみるとズルズルズルズル・・としか動きません・・まぁ，パチンコの玉が重力に引かれながらあっちにぶつかり，こっちにぶつかりしながらゆっくりしか落ちられないようなものと思っても良いでしょうし，水が流れて水車を回しているようなものと思っても良いでしょう．水車を回した分だけ，水の落ちる勢いは小さくなりますけど，水そのものには変化はありませんよね？
ということで，豆電球を通る前後で電子そのものには別段何の変化もありません．

ぶつかられた原子側は振動・・で，結局熱に変わるわけですね．

No.2 回答者： eliyyahuu 回答日時： 2009/11/30 19:09

答えやすい方から答えさせてください。

(3)電圧は電子の密度ではありません。
電子など電荷持ったものが全くなくても、電圧はかけられます。
電圧は、電位差とも呼ばれ、２点間の電位の差です。
電位とは、重力場(例えば地上)における「標高」と同じです。
電位差は、(重力場における)標高が高いところと低いところの「落差」と同じです。
高いところに質量を持ったもの(例えば水)を置けば、
「川」となって低いところへ流れるのと同様に、
電位の高いところに電荷を持ったもの(例えば自由電子)を置けば、
「電流」となって電位の低いところへ流れます。
干上がった「水なし川」は、「流れる水」がないだけで「落差」だけがあると同様に、
「電流」がないだけで「電圧」だけがある場合もあります。
「水なし川」と同様にやや特殊な環境ではあります。

電気エネルギー(単位はジュール(J))＝電力量＝
電圧(単位はボルト(V))×電流(単位はアンペア(A))×時間(単位は秒(sec))
ジュール(J)≒0.24×カロリー
です。

乾電池と豆電球の例では、
電流≒水流
導線≒水路
豆電球≒水車
乾電池≒汲み上げポンプ
とたとえることができるでしょう。


(1)電子はどうやって電気エネルギーを運んでいるのか？
上述の式をご覧になれば明らかですね。
電圧がかかっている中で、0秒を越える時間のあいだ、流れが生じれば、
「電子は電気エネルギーを運んでいる」と言えます。

「電流は自由電子」と仰いますが、
正確に「電流」とは、正電荷の動く向きを正とし、その大きさは
ある断層面を1秒あたりに通過する電荷(単位はクーロン(C))の量です。
電流の担い手は金属内の自由電子とは限りません。
水溶液内の陽イオンという場合もあります。
反物質の金属内の陽電子だってあり得ます。
その場合、電流の向きと陽電子の動く向きが同じになります。
電子の場合、電流の向きが電子の動く向きとちょうど逆になることはご存知ですよね？
電子は負電荷を持っているからです。

「原子内の高い軌道にいることでエネルギーが高いというのとは別の話？」
はい。全く別の話です。
「高い軌道にいる」というのはあくまで「原子内」を基準としたエネルギーの話です。

(2)電子は豆電球を通る前と後でどう変わるのか？
質的には変わりません。
ただし、電気エネルギーが豆電球を光らせるエネルギーに使われれば、
その分のエネルギーが減ります。
すなわち、電子が一時的に減速しますが、電圧がかかっているので、再び同じ速度に加速されます。
電＜＜気＞＞の速度は、光速ですが、乾電池が1.5Vの場合、
電＜＜子＞＞の速度は、人間の目でほとんど止まっている程に低速です。

電子は、導線の中でも豆電球のフィラメントの中でも、質的には変わりません。
電子は、導線の中では、抵抗が少ないので導線の原子とあまりぶつからず、
フィラメントの中では、抵抗が多いのでフィラメントの原子と激しくぶつかるだけです。
川の流れと滝の流れの差です。流れ落ちるという点では同じということです。