電流は正電荷の流れ

Question

すみません。yahooでも同じ質問をしています。

電流についてですが、
・電流の流れる方向は、正電荷が流れる方向と同じ
・電流の流れる方向は、電子が流れる方向と反対
・電気的に±0の原子が電子（-電荷）を失うと陽イオンになる
ということを考えると、正電荷が実在するのか疑問に思います。
原子核が持っている陽子を正電荷と考えて、電子のように
導体を流れるものではないと思っています。

水平に電線を引いて、左から右へ直流電流を流したとき、
実際に左から右へ正電荷が流れているのでしょうか？

それとも、正電荷が流れているのではなく、原子がもっている電子が
右から左へ流れる、つまり、原子のもっている電子が、その左隣の原子に
移動していくことにより、電子が抜けた原子が+イオンになり、またその+イオン
が右隣の原子から電子をもらってということを繰り返し、原子自体、陽イオン
自体が移動するのではなく、原子が左から右へ順番に陽イオンになっていく
ので、正電荷が流れているようにみえるのでしょうか？

よろしくお願い致します。

Quarks · Accepted Answer

>金属（電線）の場合、下記のとおりで合っていますでしょうか？
>左から右へ順番に、原子が電子を失い＋イオンとなる。
>金属の原子核や正電荷は移動しない。
>電子が移動している。
(略)
>上記のように、●原子や○＋イオン自体は移動していないが
>○＋イオンが左から右へ流れているように見える。

No.3さんが書いておられるように、ホール効果を調べることによって、"実際に移動している"キャリヤが、正電荷を持つのか負電荷を持つのかを決定することができます。

結論から書くと、導線を移動するキャリヤは負電荷を持つ物体つまり自由電子であって、陽イオンではありません。

確かに、質問者さんが描かれているように、導線を構成している原子（陽イオンとなっている固定して動かないもの）と、自由電子とを想定すると、どちらが動いていると考えてもかまわないように見えます。
しかし、ことはもっと単純です。自由電子は、導線の左端から流れ込んで、右端から出て行きます。導線内に在る電子の総数は、電流が流れていないときも流れているときも同数です。つまり、電流が流れているときでも、導線内の原子は、どれひとつとして、電子が過剰だったり不足したりしてはいません。質問者が描かれているような"陽イオンの移動"はもとより、陽イオンそのものが生まれてこないわけです。

gaihou · Answer

No.1の者です。
捕捉について少しだけ。

イメージ(直感)的には正しいと考えます。
原子・分子は基本的にはイオン状態というのは不安定な状態と考えていいので、余分な電子は無くしたいし、足りない電子を補充して安定状態になろうとします。
(電池は内部に電位差を強制的に作り出し、電子の移動を促しているので使用していない時にも自己放電なるものが起こり、賞味期限的なものが存在し、内部が安定状態になったときにその役目を終えるのです)
その結果としての電子の移動が電流という表現で現される現象です。
電流の概念の出発点は今の理解とは少し違うかもしれませんが、その本質をちょっと知っていると、それから先の難しく思える事(数式等)が面白くなりますよ。

Quarks · Answer

>陽イオンが生まれてこないと考えると、「電流は＋電荷が流れる方向と同じと言うけど
>＋電荷が流れていないなぁ」と思ってしまいます。

質問者さんにとって、しっくり来ないことかも知れませんね。

正の電荷を持つ物体が移動していない場合に、電流をどう解釈すべきかを科学者は考え、負電荷のキャリヤが電流の担い手である場合にも成り立つような、電流の流れに対する現代流の考え方に拡張してきたわけです。

○電流の流れる方向は、正電荷が流れる方向。
これは、電流の担い手が何であるかわかっていなかった時代に作られた、電流の流れに関する定義です。実体を知らないままに"取り敢えず"決めた、と言っても良いのかも。

これに対して、後に、金属導体の場合、実際に移動しているのは負の電荷を持った自由電子であることがわかりました。つまり、金属の導線の場合、正電荷を持ったキャリヤが存在していなかったわけです。それどころか、負の電荷を持った電子が移動していたのでした。
いろいろな電流を観察すると、電流の実体が、正電荷のキャリヤである場合と、負電荷のキャリヤである場合と、そのどちらもあることがわかってきました。

そこで、電流の向きは、キャリヤの電荷の正負に応じて、２様に定義されることになったわけです。
(1)正電荷を持つキャリヤが移動するときは、その移動の方向を電流の流れる向きとする。
(2)負電荷を持つキャリヤが移動するときは、その移動の方向と正反対向きを電流の流れる向きとする。

tadys · Answer

移動可能な正電荷が有れば正電荷によって電流が運ばれます。

例えば、燃料電池の内部では水素イオン（陽子）が電流を運びます。
http://www.gas.or.jp/fuelcell/contents/01_2.html
NAS電池ではNaイオンが電流を運んでいます。
http://www.ngk.co.jp/product/insulator/nas/principle.html
電池の内部では電子以外のものが電流を運んでいます。

高温で熔けた塩化ナトリウム（水溶液ではなく）を電気分解して金属ナトリウムと塩素ガスを取り出す事が出来ます。（金属ナトリウムの製法の一つ）
この場合はナトリウムイオンと塩素イオンが電気を運びます。
http://biochem.hiro.kindai.ac.jp/private_doc/chang_wa/chap_19.files/pdf/08.pdf

電気を運ぶものが正電荷か負電荷かはホール効果で確認する事が出来ます。
http://surf.ml.seikei.ac.jp/~nakano/exptext/14Hall.pdf

Quarks · Answer

「電流の流れる方向は、正電荷が流れる方向と同じ」
これは、電流の担い手が何であるかわかっていなかった時代に作られた、電流の流れに関する定義です。その後に、金属などの導体の場合には、実際に移動しているのが自由電子であることがわかったというのが、歴史的な順序です。自由電子が動く方向から電流の向きを改めて定めると「電流の流れる方向は、電子が流れる方向と反対」ということになります。
　
>水平に電線を引いて、左から右へ直流電流を流したとき、実際に左から右へ正電荷が流れ
>ているのでしょうか？
　
上に書いたように、電線の場合には、移動する正電荷は存在していません。右から左へ金属結合で生じている自由電子が流れているだけです。
　
では実際に、正電荷を持った粒子が電流の担い手となって、正に電流の流れる方向に移動している場合は無いのか？と言えば、そのような例もあります。

たとえば、電解質溶液には陽イオンがありますが、この陽イオンは、正の電荷を持っており、電解質溶液内を流れる電流の向きと一致した方向に移動しています。（同時に陰イオンは、電流が流れる方向と逆の向きに移動しています）
たとえば、プラズマでは、正負の電荷を帯びた粒子が互いに分離して存在していますが、ここに電流を流せば、正の電荷を持ったプラズマ粒子は、電流の流れる方向に運動します。（こちらの場合も、負の電荷を持ったプラズマ粒子は、電流が流れる方向とは逆の方向に移動します）

>正電荷が流れているのではなく、原子がもっている電子が
>右から左へ流れる、つまり、原子のもっている電子が、その左隣の原子に
>移動していくことにより、電子が抜けた原子が+イオンになり、またその+イオン
>が右隣の原子から電子をもらってということを繰り返し、原子自体、陽イオン
>自体が移動するのではなく、原子が左から右へ順番に陽イオンになっていく
>ので、正電荷が流れているようにみえるのでしょうか？

これは、ｐ型半導体に電流を流したときの姿を彷彿させますね。ｐ型半導体の中には、原子間結合に、"欠損"(=正孔）が存在しており、電圧を掛けると、近くの電子が正孔に埋め込まれ、その電子が元有った場所が新たな正孔となり…と、あたかも正孔が動いているかのような状況が見られます。

gaihou · Answer

電流について

電流は電子(e)の移動そのもののことです。
ystmarmさんの文末の見解がイメージとして分かりやすいのではないでしょうか。
難しく考えると理解できることまで分からなくなることがあります。

少しだけ書かせていただくと、電線の中の原子は通常の(安定した)状態で結合されています。
その両端に電位差が発生した場合(電圧がかかった状態)電位の高い方向に電子の移動が生じます。
安定した原子の状態から電子がなくなると、見掛け上本来あるはずの電子の場所に空席(穴)が出来ると考えます。これを孔子(ホール)と呼びその穴に電位の低いほうから次の電子が移動してきます。
これが連続的に繰り返されることにより電気(電流)が流れるのです。

電気・電子回路の世界と物理の世界ではニュアンスの捉え方が違うことがありますが、目的に合った理解をされるよう参考にしてみてください。

電流は正電荷の流れ

>金属（電線）の場合、下記のとおりで合っていますでしょうか？

この回答への補足

No.1の者です。

>陽イオンが生まれてこないと考えると、「電流は＋電荷が流れる方向と同じと言うけど

移動可能な正電荷が有れば正電荷によって電流が運ばれます。

この回答への補足

「電流の流れる方向は、正電荷が流れる方向と同じ」

この回答への補足

電流について

この回答への補足

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