電流の概念および実際の自由電子の流れる方向について

掲題のとおり質問です。

まず、電気回路において、電流とは陽極から陰極へと流れるものと定義されているようです。

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

上記、URLにおいて
>今日では「電流とは、電子の流れとは逆向きに発生する仮想的な正電荷の流れ」と辻褄合わせの再定義を行うことによって、
>それまで発見された偉大な「向きの間違った」法則をそのまま使用する事が出来る。

とありますが、実際に電流とは
>電流（でんりゅう、electric current） は、電子のような荷電粒子[注 1]の移動に伴う電荷の移動（電気伝導）のこと、
と上記URLにもあります。

電子とは、負の電荷をもった電気素量・・・つまりマイナス1C[クーロン]と認識しています。
電子は、マイナス側からプラス側へと流れるもののようですが、これが電流の前提と異なっているため、いまいち
釈然としません。

ここで、

仮に
電流 == 実際の電子[自由電子？]の動き

と仮定した場合、机上の感覚としては、プラスの電荷がプラス側からマイナス側へ移動している。
つまり、正の電荷を持った電気素量(正の電荷を持つ == 陽子)がながれていると思ってよいのでしょうか？

ただし、陽子は原子核の中心にあり、実際にそこから動く事ない
あくまで机上の計算上、プラスの電荷を持った電気素量(クーロン) = 陽子 がプラスからマイナスへ流れることが
電子(自由電子)がマイナスからプラスへと実際に流れることと、意味合い的におなじだからという認識で問題ないでしょうか？

No.8 回答者： naocl 回答日時： 2014/06/04 19:04

イオンまで考えると面倒なので除いて考えます。

「辻褄合わせ」という部分を見落としてませんか？
まず、「電子の流れ」と「電流」は記載通り、似ているようで全く別のものです。「電流」は空想上の流れであり、実在しません。

・昔は電子がプラスからマイナスへ流れると思っていた。「電子の流れ」なので「電流」と呼んでいた。

・実際は電子はマイナスからプラスへ流れる事が分かった。
でも間違った「電流」を「本当の電子の流れ」に合わせると逆向きになるから計算結果の符号がプラスマイナス逆になっちゃう。低電位から高電位へ流れる事になって混乱して困る。今まで使ってたプラス極とマイナス極を逆向きに再定義しないといけない。

・しかたないから「電流」は今まで通り間違った向きのまま使おう。ただし「電流」というのは「空想上のプラスに帯電した謎の物質」がプラスからマイナスに流れている事にしよう。こいつは電子と同じ絶対値だけど電子とは逆方向に流れている事にしよう。「電子とは逆に帯電した電荷」が「逆向き」に流れているので、計算上はマイナスを２回かけたのと同じ、結果に違いは出ませんね。

このような歴史があるため、現代科学では「電流」という名前だけど電子の流れではありません。
「電流」は実在の物質が流れている訳ではありませんが、疑似的に正孔の流れと捉える事もできます。（そもそも正孔は電子が欠損した部分なので「流れる」と捉える事自体が概念的なんですけどね）
現代科学の「電流」は実際に観測されたものでなく、向きを合わせるためだけに当時のお偉いさんたちが勝手に決めたルールなのです。名は体を表してないのです。
子供から「電流」って何が流れているの？と聞かれると答えに困ります。実際は流れていないんですから。


> 電子は、マイナス側からプラス側へと流れるもののようですが、これが電流の前提と異なっているため、いまいち釈然としません。

そういう風に定義されてしまったので、しょうがありません。実物と違うのですから。

No.7 回答者： maccha_neko 回答日時： 2014/06/02 22:45

他の方々の話でだいたい通っているとは思いますが。

最初にあるのはあくまでも「電界」なんですよね。結局電界が掛かっていると、電子だろうとイオンだろうと、正孔であろうと、とりあえず電気的に中性ではないものは、電界によって力を受け、もし動ける状態にあるならズルズル・・と動くわけです。そして、もう一つ大事なのはその「力を受けるもの」自体がまた電荷を帯びているために、他の電気的に中性でないものにも影響を与えるということですね。

さて、金属のように自由電子があるものに電界をかけると電子は＋側に移動しますよね？ここで電界中に浮いている金属の場合で考えてみます。

電子が移動した先は電子過多ですので、電気的には－になりますね。そして、置き去りにされた場所は電子不足ですから電気的には＋になります。
この現象をマクロ的に（原子だの電子だのが見えないくらい離れて）見ると、＋に帯電した部分が－側に移動した結果として、＋側が－になったとも見ることもできます。

さて、金属板が電源に繋がっているときはどうでしょう？このときは電流が連続的に流れることからも分かるとおり、移動した電子はどんどん電源の＋側の中に移動して、一回りして－側から押し出されてくるような動きになります。この動きも「マクロ的に」見れば、＋に帯電したものが逆向きに動いていると見ることもできるわけですね。

オームの法則をはじめとするようなマクロ的な電気回路を考える時は、こうした挙動もマクロ的に捉えても何ら問題はないので、便宜的に電気回路では＋の電荷が移動するかのように取り扱っているわけです。

もちろん、ミクロ的な挙動を考える場合などは「何が電荷を運んでいるか」についてきちんと考えなくてはなりません。

No.6 回答者： ytrewq 回答日時： 2014/05/27 20:21

電気回路理論は電流の方向を正電荷が流れる方向と定義してなんら矛盾なく、理論が構築されています。

間違いでも辻褄あわせでもありません。
電荷を担うものが正電荷を帯びた粒子であるか、負電荷を帯びた電子であるかというようなミクロ的なことは電気回路理論の範囲外であり、関知するところではありません。それらは電子物理の範疇です。

No.5 回答者： hey_hey_11 回答日時： 2014/05/25 15:01

自分のみであれば問題ないと思います。

でも、他の人に説明するときは間違っていますので、あしからず。
電流の流れる方向と大きさと自由電子が移動する方向と大きさについては、大きなミスであることは既に知られています。
でも、歴史を見れば仕方がないと私は思います。これを話し出すと長くなるのでここまでにします。

そこで、陽子が流れることに置き換えることは、自由性がないことは理科或いは化学で学んでいますので、無理があると思います。
やはり、自由電子の流れる方向と電流が流れる方向は逆になり、大きさは絶対値にすれば同じであると理解するのが良いと思います。

あと、自由電子の流れる方向、大きさではなく、電流値さえわかればよいのが現実ですので、余り深く考えないのが得策だと思います。

No.4 回答者： TXV12003 回答日時： 2014/05/25 13:35

＞つまり、正の電荷を持った電気素量(正の電荷を持つ == 陽子)がながれていると思ってよいのでしょうか？

陽子は単独では流れません。

また、電荷を運ぶものは電子だけとは限りません。
電解液中に電流を流す場合、正イオンは、プラスからマイナスの方向へ向かって移動します。

余談ですが、金属中を電子が移動する速度は一秒間に数mmで、カタツムリより少し早いくらいです。

No.3 回答者： tadys 回答日時： 2014/05/25 12:45

＞いまいち釈然としません。

プラスとマイナスを逆にすれば釈然とするのであれば、そうすればいいでしょう。
そうしたとしても電磁気の法則はまったく影響は受けません。
もっとも、あなたとほかの人が話をするときは話が通じなくなるでしょうけど。

＞電子とは、負の電荷をもった電気素量・・・つまりマイナス1C[クーロン]と認識しています。
とんでもないですね。
１Aの電流とは1秒間に１クーロンの伝家が流れることをいいます。
そうすると、１A流れていると１秒に１個の電子が移動していることになります。
電子１個の電荷量は 1.602 176 565(35)×10＾－19 C です。
電流１Aを流すためには１秒間に約0.625×10＾19個の電子が流れます。

＞正の電荷を持った電気素量(正の電荷を持つ == 陽子)がながれていると思ってよいのでしょうか？
正の電荷が電流の元（電流の担体）となっている場合がありますが、電流の担体が正の電荷か負の電荷かは区別されます。
ホール効果を利用すれば電流の担体の正負を判別することが出来ます。

正の電荷が電流の担体の例としては
電池の内部では正イオンが電流を運んでいます。
隼で有名なイオンエンジンではキセノンのイオンが電流を運んでいます。
P型半導体では正電荷のホールが電流を運んでいます。
陽電子の加速器では陽電子が電流を運んでいます。
陽子のの加速器では陽子が電流を運んでいます。


＞意味合い的におなじだからという認識で問題ないでしょうか？
問題ない場合もあるかもしれませんが、他人と話が通じなくなる恐れがあります。
止めておいた方がいいでしょう。

No.2 回答者： Tann3 回答日時： 2014/05/25 11:42

　まあ、あまり厳密に考えずに、「マクロの世界の電流は、ミクロの世界では電子の動きに起因している」ぐらいに考えればよろしいのではないでしょうか。

　実際のミクロの世界の動きも、「1つの個性を持った電子が光速で移動している」訳ではなく、1つの電子が動くと、ところてん式にずっと向こうの電子が押し出される、という感じのようですし。個別の識別可能な電子というよりも、電子の「場」が光速で伝わっているというイメージかもしれません。（私も見たことがないので分かりません）
　また、少なくとも、ご質問の中で引用されている「仮想的な正電荷」をいうのは、電子に対する陽子（原子核）ではありません。考えるとすれば、電子の動きに伴いそこに仮想的に「陽電子」が無限小時間だけ生じる、というイメージだと思います。（すぐに隣の電子で埋められて消滅し、これが連鎖する）

　うまいたとえが思い付きませんが、海の波を考えると、あれは個別の水分子は上下運動をしているだけで、実際の水分子が波の速度で移動しているわけではありませんよね。
　また、「商品」と「お金」の移動を考えるとき、「商品」は原材料→製造者→物流→商店→消費者と移動しますが、見方によっては「お金」が逆の動きをしますよね。（時間を考えると、あまりよい例ではありませんが）

　要するに、実際の実体の動きと、それをマクロ的に（人間の実際の感覚・経験に即して）解釈したものは、必ずしも一致しなくても仕方がない、ということかと思います。

　そうしないと、相対性理論とか、量子力学を受け入れることが難しくなってしまいますので。

No.1 回答者： unagi-pie2 回答日時： 2014/05/25 09:56

＞問題ないでしょうか？

あなたがその前提をどう利用してるのかわからないので他人には答えようがありません。

電子回路の設計などでは電子の移動方向がどうだか、なんて事まではまず関わらず影響ありませんが、
もっと違う方向から追求する場合には説明つかない事も生じるでしょう。
いずれにせよ目にも見えない、測定器を使っても実測できませんから
現象を見て説明しやすい仮定を立てるしかなくそれがどこまで正確か、ってことです。


私が聞いた考え方は。
・電流が流れる速度は光速とおなじｊくらい
・電子の移動速度はもっと遅い
・電子は、回路中の移動はほぼ同時だが、細かく見ると、原子から隣の原子に移動し
　生じる「空席」が順次移動する、これを電流と見ると結構スムーズ。