なぜ電子は光速で動く？

Question

中学の時に、理科で電子は光速で動くと教わったんですが、光速以下の速度で動かないんですか？
光も同じなのでしょうが、光も電子も、素粒子が動くときは光速度で固定なんですか？
でも、原子は光速で動きませんよね？
電子って質量持ってますよね、光速で動くときには、加速するときに無限のエネルギーが要るんじゃないですか？そのエネルギー源はなに？
電子って生まれたときから永遠に光速で動きっぱなしなんかな？停止することはない？それなら加速エネルギーはいらないのかな？

cozycube1 · Accepted Answer

お礼、ありがとうございます。#4です。

>導線を動く電子は遅いけど、電流は速いってことですね？

そういうことです。おおよそ理解されましたね。それならもう少しだけ、仕組み的なことを。

水を満たしたホースで喩えたのは、水は圧力を掛けてもほとんど縮まないからです。しかし、パイプを通して空気を送る場合だと、圧力に応じて空気は収縮しますから、空気をパイプに押し込んでも、すぐには出口から空気が流れてくるわけではありません。

金属中の電子を粒子と考えるとして（波として考えるのは、今回のご質問から外れるので置いておきます）、電子は負の電荷ですから、電荷同士には電気的な反発力が働いています。

そこへ、電圧をかけて電子を流し込むと、そこで電子の密度が大きくなり、その先の電子を押すことになります。ちょっと、パイプに送り込んだ空気の圧力と似ている状況です。

その電子同士の反発力ですが、その伝わる速さが光速度です。今は金属中の電子を考えていますから、金属での光速度です。真空中の光速度より、金属中の光速度のほうがちょっと遅いのですが、日常見る導線なら、真空中の光速度と同じと考えて差し支えありません。

電流としての導線中の電子の移動速度は遅いけど、電圧が伝わる速さは光速度だということになります。電子を余計に流し込んだら、それによる反発力は、光速度で導線の反対の端まで伝わるわけです。そのため、スイッチを入れた途端に瞬時とも言える早さで電流が流れます。

このとき、もしコンデンサとかコイルといった、電流変化に対して抵抗値が変わるような部品が回路にあると、一定の電流（電流が0の場合を含む）になるまでの、変化を見ることができます。そういう変化が起こっている上体を、過渡的な過程と呼んだりします。

>電子と電流の動く向きが逆ってのは知ってます

その通りですね。電子の存在が分かるまで、仮に電気のプラスとマイナスを決め、プラスからマイナスに何かが流れるとしていたんですが、電子の流れだと分かったときには、既にプラスからマイナスに流れるとして、多くの数式化がされていました。

もし「逆でした。式を全部書き直しましょう」なんてことをしたら、大変な作業です。古い式と新しい式を混ぜて計算したら、いろいろと事故も起こりそうです。そこで、電子の流れだけど、その電子をマイナスにしてしまおう、となったのでしょう。マイナスが流れてるんだから何も変えなくていいでしょ、というわけです。

tknakamuri · Answer

電流の速度=電子の速度　だと思いますよ。
とっても遅いです。

電場の伝播速度とか電気信号の伝達(伝播)速度とかなら
光速の数十％とかになります。

NemurinekoNya · Answer

～～～～～～
中学の時に、理科で電子は光速で動くと教わったんですが、光速以下の速度で動かないんですか？
～～～～～
《電子》が光速で動くのではなくて、
《電子の流れ》である《電流》が（ほぼ）光速で移動するで～す。
「電子の速度＝電流の速度」ではないですよ～。
《電子の速度》と《電流の速度》は違っていても、いいんですよ。
この両者は、まったく別なもの、まったく別な概念ですから。

僕の言葉だけでは信憑性に欠けるので、
Wikipediaから電流の伝播速度の記述を引用します。
─────────
 伝播速度
電流は導体中の電子などの流れによって生じるが、電流と電子の速度には大きな差がある。電流は基本的に光速度に近い速度で伝播するが、導体中の電子そのものは非常に遅い流れである。例えば断面が1mm2の銅線に1アンペアの電流を流した場合、電子は平均的に4.4mm/分の速度で流れる。電流は粒子である電子の動きそのものが伝播するのではなく、導体の内外を電磁場の変化が光速度に近い速度で伝播することで電子のゆっくりした流れの先端部が高速で移動してゆくのである。この電磁波は電子などの荷電粒子の動きで生じる。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E6%B5%81
─────────

ngkdddjkk · Answer

電流が方向を持つのではなく、電流を与えるための仮定が方向を与えているんです。

電流が流れるためには電池なりで電圧を与えて(本質的に電子の移動に寄与するのは、それによって発生する電界です)、その極性により電流の方向を与えているだけです。問題で電流を求めよという記述があった場合には、必ず方向が与えられています。

電流と言ったらスカラーで値しか持ちません。方向は電源が与えているのです。それを、便宜上電流の方向と言っているだけです。
交流の回路を考えて見てください。正負両方にどちらにでも流れる電流を、複素ベクトルの位相とグラウンドの定義から強引にプラスを決定して解きますよね？まさか時間を含んだ計算した事がないって事はないでしょう。

ngkdddjkk · Answer

再補足です。

電流はスカラー量です。電流密度はベクトル量です。

電子の動きは、基本的に方向性を持った運動であるためにベクトル量です。

スカラーには方向性がないので、「電子の動きと電流が逆方向である」という説明は本来間違っています。スカラーとベクトルは比較できません。
なぜそれが比較出来るような表現になってしまったかというと、まず、回路上では細い電線(ここは説明上こう言っておきます)に沿った方向に電界の方向が決まります。それに沿って電流が流れるという事になるのですが、この時I=dq/dtと電荷が負である事から電流が電子と逆方向に流れると判断されます。断面に垂直に電流が流れるから、方向は正か負しかありません。本来電流は、電流密度ベクトルと面積ベクトルの内積を取るのですが、電流密度ベクトルの方向を電流の向きと捉えたとしか思えません。

ngkdddjkk · Answer

補足。

電磁気学の近接効果により、電荷が移動するものとしての電流なるものの「伝搬」であれば、光速で伝わります。

ngkdddjkk · Answer

No.6さん、電流の定義を知っていれば速度なんて概念はないですよ。
質問者も騙されないでください。
I=dq/dtです。ある断面を単位時間あたりにどの程度電荷が移動するかが電流の定義です。

光速で移動するものは、等価質量は定義できますが、通常質量を定義できなくなります。
つまり、電子は光速では動きません。

波として存在するか、粒子として存在するかによって見方が異なります。粒子として質量を持つ物質は、光速で動く事はできません。(現在の物理では。と断っておきましょう)

nature-spirit · Answer

電子の動くスピードについては、他の方が説明しているとおりです。

中学の時に教わったのは、電流が流れるスピードが光速と同じで1秒間に地球を7周半回る、という風に習ったのではないでしょうか？
その教えは正しいです。

でも、それが電子が光速で流れていると理解したのは、あなたの早とちりです。

光速で流れているのは、電流という流れ”波と思ってもらっても結構”で、電子という実在する粒子が光速で動いている訳ではありません。電子の動くスピードは電線の中で金属原子にぶつかりながら、トロトロと進んでいます。

道路で自動車が渋滞している姿を思い出してください。

ある交差点から1キロぐらい車が並んでいるとします。

信号機が青に変わりました。

そして並んでいた車が動き出すわけですが、普通なら、先頭の車が動き出して、それを見た2番目の車が動き出して、その後3番目の車が・・・と続いていきますよね。最後の車が動き出すまでにかなりの時間がかかります。

しかし、電流の場合は、この伝わる速度が光速なのです。
みんなが一斉に動き出します。
すなわち、先頭の車（電子）が動き出した1秒後に地球7周半後ろに並んでいる車（電子）も動き出すっていう訳です。しかし、決して電子が光速で動いているわけではなくて、みんなはトロトロ進んでいる。
ということ。

fjnobu · Answer

電子は光速で動くことはできません。ものすごく加速しても光速の９９％ですね。
電線の中を動くときは、歩くより遅い程度です。
真空管中でも、せいぜい６０％ぐらいです。

cozycube1 · Answer

金属導線に電流が流れているときの電子だと、無茶苦茶遅いです。亀かカタツムリとなら競争になる程度です。

では、なぜスイッチを入れたら瞬時に充分な電流が流れるかでしょうか。それは金属では、原子核のプラスの電荷に応じて、ちゃんと電子があるのですが、それが自由に動けます（自由電子）。

水が既に満たされたホースのような状態ですね。そのホースを水道の蛇口につなぎ、栓を捻って水を出せば、ホースの出口からは、すぐに水が流れ始めます。もし、ホースが空だったら、ホースの中で水が流れる速さに応じて、水が出るのが遅れます。しかし、既に水で満ちていれば、水道から追加で水を入れた分だけ、直ちに出口から水が出てきます。

金属中の自由電子も同じような状態ですので、電池などで電圧をかけて電子を金属導線に流し込めば、直ちに導線中の全ての電子が移動し始めます。たとえば電球が直ちに光ったり、直ちにモーターが回り始めたりします。

そういうのとは別の電子の流れとしては、電子線と呼ばれるものがあります。放射線として扱われる場合はベータ線と呼ばれます。主に真空中で電圧をかけて、放電により電子の流れを作ります。

以前にTVではよく使われていたブラウン管モニターでは、内部を真空にして、画面の反対側から高電圧を用いて電子を画面側に放出して、画面を発光させていました。

さらに昔、トランジスタではなく真空管が電子回路に用いられた頃、その真空管も電子線を制御する部品でした。

これらでも、電子一個は非常に質量が小さいために、金属導線の電流を作る電子とは違い、大変に高速です（光速ではない）。

素粒子実験で使われる加速器になると、さらに電子を高速にできます。光速の99.999…（嫌になるくらい9が続く）％といった速さになります。

しかし、決して光速にまでは加速できません。光速になれるのは、電磁波だけです。光は電磁波の中でも、目に見える波長のものを指しています。光速のものは、減速も加速もできず、常に光速です。

なぜ電子は光速で動く？

お礼、ありがとうございます。

電流の速度=電子の速度 だと思いますよ。

～～～～～～

電流が方向を持つのではなく、電流を与えるための仮定が方向を与えているんです。

再補足です。

補足。

No.6さん、電流の定義を知っていれば速度なんて概念はないですよ。

電子の動くスピードについては、他の方が説明しているとおりです。

電子は光速で動くことはできません。

金属導線に電流が流れているときの電子だと、無茶苦茶遅いです。

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電流の速度=電子の速度　だと思いますよ。

　金属導線に電流が流れているときの電子だと、無茶苦茶遅いです。