発電について

Question

初めまして。
発電について質問したいことがあります。

電磁誘導によって発電は行われるわけですが、
このとき、何が電気に変換しているのでしょうか？

そこにある磁場（磁気）が、材料となって電気を生み出しているのでしょうか？
言葉の通り、無から有を生じている、ということなのでしょうか？

あるいは、空気中にあるイオンのようなものが、元となって変化しているのでしょうか。

磁場（磁気）が元の材料のようなものになっているとすれば、
磁場（磁気）は弱くなっていくのでしょうか？

何かを作る（生み出す）、ということは、
元となる原料を消費、あるいは変換（？）するということだと思います。

しかし、電磁誘導による発電について、
「コイルに磁石を近づけたり遠ざけたりすると電気が起こる」
こういう説明はあるのですが、
何から電気が作られているのかが、分かりません。

原子力や火力、動きによる動力源が分かっても、
電気の元、というものが分かりません。

ワタクシは、あまり賢くもなく、物理も、ど素人なので、
言葉足らずの部分もあるかと思いますが、お許しください。

何かを消費して、電気を生み出している、
ふと疑問に思ったので質問させていただきました。

何卒、よろしくお願いします。

sailor · Accepted Answer

まず最初に電気が物であるかのような認識があるようですが、これがそもそも間違いです。

電流そのものは導体内部にある電子の移動という形ですから、その移動させるためのエネルギーが電気という事になります。水を満たしたホースの中に水流を作るためのエネルギーが電気であるといえば判りやすいでしょうか？このとき流れている水は電線にあたるホースの中に元々あったもので、外部から取り込まれたものではありません。同じように電線など、電気を流すものの中には電流を運ぶための電子が元々あるのです。ただし、そのままでは電子を移動させることができませんので電流は流れません。電磁誘導による発電ではこの電子を動かすためのエネルギーを運動エネルギーという形で与えているのです。

発電とはエネルギーの変換ですので、新たに物を作ったりするのとは基本的に違うのです。ガスレンジの上に水を入れた鍋を置いて水を加熱したとします。このとき水の温度が上がり明らかに水のもつエネルギー量は増えているのですが、ガスの持つ成分やその他の成分が水に入り込んだためではありません。温度が上がるというのは水の分子の運動量が増えるということですからね。電気も同じで電気的なエネルギーを持たない状態では電子を動かすエネルギーがなく、電子がとまった状態であるということです。電気が流れるということは電子が動くということなのです。電気が流れる物質と電気が流れない物質がありますが、これはその物質のなかに、動くことができる電子（自由電子といいます）があるかないかの違いですが、このことも電流は外部から何かの物質が入ってくるという類のものではなく、元々、導体の中にある電子が動くという現象であるということの説明になるでしょう。

従って発電機の場合は消費しているのは運動エネルギーで、その結果生み出されたのが電気エネルギーであるということです。どちらもエネルギーであり物質ではありません。熱や光などと同じです。

まぁ、相対性理論まで待ち出せばエネルギーと物質は互いに変換可能なのですが、そういった話ではないででしょ？

sailor · Answer

再び＃２です。

これはおまけですので、無視しても言い話ですけど。

相対論の話が出たついでに、エネルギーと質量が相互に変換可能という話のついでです。

もし、１ｇ（角砂糖１個分ぐらい？）の質量が完全にエネルギーに変るとどのくらいのエネルギーになるでしょう？
たぶん、あなたが想像している量とはとんでもなくかけ離れた量になると思いますけど、ある物質（種類は何でもいい）１ｇが完全にエネルギーに変換されると原爆などでおなじみのメガトンという単位を使ってあらわしたときに21.480メガトンというとんでもない値になるんですよ、これは逆言えばこれだけのエネルギーがなければたった１ｇの物質を作り出すことができないという意味でもあります。

とんでもないでしょ。

広島に落とされた原爆でも実際に核物質がエネルギーに変り質量が減ったのは0.7ｇ程度でしかないということです。

まぁ、今回の質問の内容とは直接関係ありませんけど、相対論なんて言葉を出したついでです。

sailor · Answer

＃２です。相対論は別にいりませんよ。そういったレベルでの話ではないということの引き合いに出した田ｋですからね。

ただし電気が流れるということを理解するには電子については知っていなければダメですね。電気が流れるすなわち電流が発生するということは電子の移動そのものですからね。また、実際には電子が導体の端から端まで流れてい行っているのではなくドミノ倒しのような状態でエネルギーを運んでいるんです（この点では最初に書いた水の流れとは違いますけどね）けど、その辺のことは調べてみるといいかもしれませんね。

まぁ、まずは電気というエネルギーの正体をよく知ることが第一ですね。けっして生み出したなどいないこと、別のエネルギーが電気エネルギーに変っているだけで、何か新しいものができたわけではないということを、最初に理解する必要があるでしょう。

何か新しい物質が作られたわけではありませんから、物質的な材料など必要ないということです。

undemande · Answer

ここで問題になってる「何から電気が作られているか？」に対する答えは、「他の何かのエネルギーから作られている」といえます。
その「他の何かのエネルギー」が磁束の変化を起こし、電磁誘導を起して、電子が運動したのですね。電磁誘導とは、磁束が変動する環境下に存在する導体に電位差（電圧）が生じる「自然現象」です。それを電磁誘導「法則」として「発見」したのです。

でも、残念ながら実は電磁気力そのものの正体はわかっていません。例えば、重力の正体も実はわかっていないのです。まだ、現代の物理学ではわかっていない事だらけなのですよ。

「他の何かのエネルギー」は、位置エネルギーであったり、運動エネルギーであったり、様々なエネルギーが考えられます。ここで、考えて欲しいのは、エネルギーの保存則（熱力学第一法則）です。

（以下はウィキペディアからの引用や、一部の編集を行ったものを多く含みます。）

現在では《エネルギー保存の法則》は、しばしば「最も基本的な物理法則のひとつ」と考えられていますね。多くの物理学者が、（絶対的な証明があるわけではないのだが）疑いもせず、自然は常にこの法則にしたがっているはずだ、と信じているのですよ。
現在確認されている全ての現象で保存しており、今までに反例が見つかっていないと言う経験的事実から導き出された法則なのです。

エネルギーには「量」と「質」 が有るのを知っていますか？
《エネルギー保存の法則》が成立していると想定して、宇宙におけるエネルギーの総量が一定だと仮定するにしても、宇宙全体のエントロピーは基本的に時間とともに増大している（少なくとも減少することはないとされる）ということは明らかになっています。

つまり「エントロピーには保存則はなく、系と外部を含めたエントロピーの総量は変化しうる（→熱力学第二法則）」のです。その際エネルギーの"質"（エネルギーの取り出しやすさ、扱いやすさ）は低下して最終的には「最も利用効率の悪い熱エネルギーに変化する傾向がある」のです。

このようにエネルギー問題においてはエネルギーの"量"よりも"質"のほうが重要ですで、《エネルギー保存則》が成立していると考えたとしても、それは人類が利用できるような形のエネルギー"量"が不変であることは全く意味していないのです。

学校で教わったことは「非常に曖昧な表現」に満ちています。でも、概ね間違ってはいないでしょう。曖昧でもいいから、「こういうことが有るよ」と生徒に対して投げかけているのです。それに対して、生徒に興味や疑問を持たせることが重要な使命なのです。そのことが、貴方にとって「どこまで正しいのか？」を探求することは、あなた自身の問題ですね。

単純な疑問が大きな謎を含んでいます。
有名ですよね。「リンゴは何故落ちるのか？」
これは、「当たり前でしょ」とするか、「地球が引っ張っているんだ」とするか、「万物には万有引力が有る」と考えられるかの差ですね。

こうやって色々なことにふと疑問を抱くのは大切なことであり、人の探究心をくすぐります。そして、場合によっては重要な発見となるのです。

自然物理学の歴史は力の統一の歴史といってもいいのです。

アイザック・ニュートンは天体の力と地上の力を万有引力として「統一」したのです。つまり天体の重力も地上の重力も同様なニュートンポテンシャルをもつ運動方程式で表せるのだと。それまでは、リンゴは落下してやがて地球に衝突してしまうのに、月はいつまでも回り続けているので、天体に働いている力と、リンゴに働く力は全く別のものとされていたのでした。

ジェームズ・クラーク・マクスウェルは電気力と磁気力を電磁気力として統一しました。つまり、電流や時間変動する電場は磁場を生じ、時間変動する磁場は電場を生じるのだと。

さらにスティーヴン・ワインバーグ、アブドゥス・サラムは電磁気力（電磁力とも呼ぶ）と弱い力を電弱統一理論として統一しましたた。この意味は、「電荷をもつ素粒子は必ず弱超電荷もあわせもつ」理論形式になっているということで、つまり普通の電荷の定義に弱超電荷演算子の第3成分が含まれている。このような電弱の不可分な関係は実験事実に基づくが、数学的には非可換な2×2行列であらわされるのです。ただしこの電弱統一理論に強い力の理論である量子色力学を加えた標準模型では、電磁気力と弱い力、強い力の結合定数はそれぞれ異なり、合計3つあります。

ところでこの「統一」という言葉は別の意味で使われることもあります。つまり、各々の力の結合定数は現在観測されうる限りの低エネルギー領域では異なるが、ある高エネルギーの点で同一の値になると期待されています。繰り込み理論によれば結合定数がエネルギーに依存することを利用して、このような理論を構成する試みがあります。

この流れで電磁気力、弱い力、強い力の三つが「大統一理論」として統一されようとしています。しかし最も単純で美しいと言われるSU(5)ゲージ群に基づく大統一理論は、陽子崩壊が現在までのところ一例も観測されていないという実験事実と矛盾し、すでに否定されています。

そこで超対称性を仮定することによって修正した「超対称大統一理論」も未完成ですが、20年以上前から考えられています。これらは重力相互作用をのぞいた三つの力を全て統一しようという試みです。

一方、素粒子の世界では効果が小さすぎて観測の困難な重力も含めて、4つの力を全て統一しようという試みは、世界中の理論物理学者がこぞって研究しているにも拘らず、現在のところまだ完成にはほど遠いです。これは、重力相互作用のゲージ粒子である重力子が繰り込み不可能であることに起因しています。

しかし、物質の基本的な構成物である素粒子を「点」とせず、ある種の「ひも」とすればこの問題は解決できるかもしれないことがわかりました。（なお、この「ひも」は宇宙論における「宇宙ひも」とは別の概念です）。この弦理論で超対称性を仮定したものを「超弦理論（超ひも理論ともいう）」といいます。

こういった、研究が進んだ後に、その先にやっと、電磁気力そのものの正体や、重力そのものの正体が解って来るのですね。

fujiyama32 · Answer

発電機だけでは電気が発生しません。言い方を変えますと磁気があるだけでは電気が発生しません。磁気の大きさ(強さ)を常時に変化させませんと、電気が発生しません。磁気の大きさを変化させるため、発電機の軸を継続して一定の回転速度で回転させます。回転により磁極(N極とS極)の大きさが正弦波状に変化しますので、交流の電気が発生します。簡単に言えば、物体が持っている各種のエネルギーである運動エネルギー(回転エネルギー)を電気エネルギーに変換してることになります。発電システムの主なものとして、次のようなものがあります。 <1>水車を使用 1)水力発電軸を回転させるために水車を使用します。雨水をダムに貯めて、貯まった水をノズルから吹き付けて、水車を回転させます。回転により発電します。 2)小規模水車発電ダムに貯めた水以外に谷や河川に流れる流水を同じように水車に吹き付け、回転させて発電します。 <2>タービン(羽根車)を利用 1)火力発電軸を回転させるため、タービンを使用します。石炭や石油、ガス等を燃焼して水を加熱し、蒸気を発生させます。この蒸気をノズルから噴出して、タービンを回転させます。 2)原子力発電核反応で発生する熱により水を加熱し、蒸気を発生させます。この蒸気をノズルから吹き付けて、タービンを回転させ発電します。 3)地熱発電地熱(温泉等)により発生した蒸気によりタービンを回転させて発電しています。

Gletscher · Answer

電気が産まれている訳ではないですよね。
電気は、電子が移動しているだけです。

＞電気の元、というものが分かりません。

「元」ではなく、電子の移動が電流となります。
電気が「流れる」というのは、人間が勝手に名付けただけです。水のように流れているわえではないので、「水源」に相当するものもありません。

metannetan · Answer

発電機を回す動力エネルギーが電磁誘導作用で電気エネルギーに変換している。
導体に磁力が変動すると電磁誘導作用によって電圧が生じる、というのをファラデーが発見したそうです。
電流が流れると、なぜ磁力が発生するのかとか磁力によってなぜ電流が流れるのかの説明で納得いく説明に出会えていないので解りません。
 永久磁石の原理でも納得いく説明が出来ていない。
私は、原子核の周りを電子が回り続けるので有れば、永久磁石は永久機関であると思います。
もしこれが磁石ではなく永久電気で有れば、誰もが永久機関と認めるでしょう。
原子の構成粒子の電子は、原子核の周りを回っています。
普通の電子は左回りスピン電子と右回りスピン電子が対を作って軌道を回ってお互いを打ち消し合っています。
永久磁石は、スピンを打ち消す相手がいない「不対電子」と呼ばれる構成です。
打ち消す相手がいない不対電子が同じ向きに回転し続けます。電子の流れは電流です、電流が流れる所には、磁界が発生します。これが永久磁石になる原理だという説も有ります。

mac1963 · Answer

金属の中に始めから有る浮遊電子を磁力により動かしている

発電について

まず最初に電気が物であるかのような認識があるようですが、これがそもそも間違いです。

再び＃２です。

この回答への補足

＃２です。

ここで問題になってる「何から電気が作られているか？」に対する答えは、「他の何かのエネルギーから作られている」といえます。

発電機だけでは電気が発生しません。

電気が産まれている訳ではないですよね。

発電機を回す動力エネルギーが電磁誘導作用で電気エネルギーに変換している。

金属の中に始めから有る浮遊電子を磁力により動かしている

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