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ローレンツ力の説明で
画像のように導体棒がvの方向に動いた時、ローレンツ力=電場の力Eが釣り合うまでは理解できるのですが、
その後なぜ電子は等速でb→aへ移動するのでしょうか。
導体棒内に働いている力は釣り合っているので→aも→bも0なのではないのでしょうか

等速でb→aに電子が移動するということになると電流が流れているという事になるのでしょうか

以前、導体棒を磁場内で動かした時、起電力が生じるが電流は流れないと教えてもらったのですが…

「ローレンツ力の説明で 画像のように導体棒」の質問画像

質問者からの補足コメント

  • 回答いただく立場なのに条件等情報不足で大変申し訳ありませんでした。
    これが参考書の解説です。

    「ローレンツ力の説明で 画像のように導体棒」の補足画像1
      補足日時:2017/06/03 04:34
  • 電位差ができる、電位差がある所に電荷を置いたらF=qEより静電気力を受けるのでb→aに電子が動くように思えますが、
    同時に導体棒も移動しているためローレンツ力も働いていて静電気力を打ち消してしまうので移動できないし、

    そもそも導体棒内の片寄りは安定しているから電子を置くこともできない…のではないでしょうか

    「ローレンツ力の説明で 画像のように導体棒」の補足画像2
      補足日時:2017/06/03 04:40
  • 補足3

    このように内部が釣り合った導体棒が動くと横方向に等速運動するというなら分かるのですがこのようにはならないのでしょうか
    ごちゃごちゃした質問で申し訳ありません

    整理しますと、

    回答を形成した時、b→aに電子が動くのはどのような現象が原因でしょうか

    この補足の画像は最初から電場をかけていますが同じような条件(釣り合った力の中に電荷を力に垂直方向に動かした時の電荷の運動)に思えますがなぜこのようにならないのでしょうか

    お忙しい中申し訳ありませんがどうぞよろしくお願いします

    「ローレンツ力の説明で 画像のように導体棒」の補足画像3
      補足日時:2017/06/03 04:56
gooドクター

A 回答 (6件)

No.1&2 です。



>回答を形成した時、b→aに電子が動くのはどのような現象が原因でしょうか

何が「原因」になって、何が「結果」なのかを分けて考えましょう。

(1)「導体棒の中に電場ができる」というのは、導体棒内で電子が b→a に移動して「導体棒の両端に電位差」ができた「結果」です。
 導体棒内で電子が b→a に移動するのは、「磁場中で導体棒を動かした」結果です。

(2)「導体棒の両端に電位差」ができたことを「原因」として、接続した負荷に電流が流れます。(負荷に電流が流れるのは「結果」)

(3)電流が流れた結果、a の電子が減少して「導体棒の両端に電位差」が小さくなります。

(4)この結果、「導体棒の中の電場」が弱まるのでローレンツ力の方が大きくなり、導体棒内で電子が b→a に移動して a の電子を補充します。

 これを繰り返します。
 つまり、全ての現象は「磁場中で導体棒を動かした」ことを原因として起きているのです。これが「すべての原因だ」ということを忘れずに現象の進展を考えないといけません。

 「導体棒の中に電場ができる」というのは「結果」なので、この電場による力で「導体棒の中を a → b に電子が移動する」を考えると本末転倒になります。電子は導体棒の中ではなく、導体棒の外の「負荷」を通って流れます。
 動く導体棒は「電位差、電場を作る発電機」の役割で、これに接続された「負荷」が「電流を流して電力を消費する」ものになるのです。
 上の(4)のように、導体棒の中には電子を補充するように(つまり発電するように)「 b→a 」に電子が移動するのです。

導体棒に「負荷」が接続されていないときには、「磁場中で導体棒を動かした」結果として(1)が起こりますが、(2)以降は起こりません。「何も接続していない乾電池」のような状態です。
(1)→(1’)「導体棒の両端に電位差」ができた結果、この電場による力とローレンツ力が釣り合って、それ以上の電子の移動は起こらない。
ということです。


>電位差がある所に電荷を置いたらF=qEより静電気力を受けるのでb→aに電子が動くように思えますが、

 静的な電場であれば、電位は「a:負、b:正」ですから、電子は逆方向の「a→b」に動こうとします。

>そもそも導体棒内の片寄りは安定しているから電子を置くこともできない…のではないでしょうか

 導体棒内の電荷の片寄りが安定しているのは、まさしく「電場による静電気力(a→b)」と「導体棒が動くことによるローレンツ力(b→a)」が釣り合うからです。
「電子」はもともと導体内に存在する無数の自由電子です。「置く」とはどういうことでしょうか。

>このように内部が釣り合った導体棒が動くと横方向に等速運動するというなら分かるのですが

 運動方程式を考えれば分かるように、「力」は「加速度」として働きますから、「等速運動する」ということは「力が働いていない」(加速度がゼロ)ということです。
誤解しないようにしてください。


 なお、質問者さんが「補足3」で挙げているのは、「電場」はあらかじめ外部から与えているので現象の「原因」です。これは、上に説明した「結果としての電場」とは位置づけが異なります。
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この回答へのお礼

何度もありがとうございました!順を追って説明していただき、特に発電機の所よく分かりました!

以前教えていただいたように、できるだけ原因と結果を考えながら考えるようにしているのですがまだ力足らずでした。
特に導体棒自身も導線と同じで電流が流れていると考え違いもしていました。

おかげさまでよく分かりました!丁寧に回答いただきどうもありがとうございました!

お礼日時:2017/06/03 14:48

相変わらず負荷の有無が触れられていませんが


負荷がなければ④の等速= 0、負荷が有れば等速≠0です。

負荷がなくて④の等速≠0 であれば、電荷による電場は
どんどん大きくなります。あり得ません。

貯まった電荷が負荷へ流れて行くからこそ、それを補充するために
電荷は動けるのです。
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この回答へのお礼

どうもありがとうございました!よく分かりました

お礼日時:2017/06/03 14:43

昔、参考書を集めていたので、一番上の写真の下に映っている絵で、質問者さんの本が分かりました(^^;)


ぶっちゃけて言うと、この本の著者がどれくらい考えて解説を書いているのか疑問に思う本ですね・・・全体的に・・・(`ε´)

確かに、導体棒だけ(レールの上にのせずに)動かした場合、導体棒には電流が流れず、導体棒内部には電場E=vB が生じています(-_-)
じゃあ、レールの上に導体棒をのせて運動させた場合、質問の様に電子がローレンツ力と電場による力がつり合って等速で運動するのかは疑問ですね(o-w-)o
もしも電子の力がつり合っていたとします・・・電子は、導体棒の中の原子と衝突しながら運動するので、力がつり合っていると衝突により速度を失い、全体としては静止してしまうでしょうね (’⌒’)
そうならないように電子を移動させているのがローレンツ力なのですから、ローレンツ力が起電力の原因なんです(・ー・)
じゃあ、その起電力はって言うと、導体棒だけを運動させた場合から求まるV=vBl のはずですよね(^^)

他の参考書、電磁気学の専門書など調べてみたのですが、この本の様に導体棒の中の電子が等速運動するなどと説明されている本は一つもありませんでした(-"-;)
確かに導体棒内部を電子が移動しないと電流が流れた事にならないのですが、
だからといって、この本の様に単純に「等速で」移動する、なんて事も言えないと思いますよ(-∩- )
これを認めてしまうと「???」となるのは当然ではないでしょうか?(^^A)

まあ、この「等速」で運動するってのは、どのみち本質的な事では無いので、あっさりスルーする事をおすすめします f(^^;)
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この回答へのお礼

ありがとうございます!
何度も教えていただいたおかげさまで物理のエッセンスという参考書を何周かしたので評判のよいこの本を読んでみようかなと思い読んでいたのですが、
考え方の説明に違いがあったりしてちょっと混乱するときがあります(私の力不足のせいですが)

引き続きもっと勉強してみなさまのようにしっかりとした考え方ができるように頑張ります。
どうぞまたよろしくお願いしますm(__)m

お礼日時:2017/06/03 14:53

発電された起電力はレールに負荷が繋がっていれば


負荷に電流を流します。負荷が繋がっていなければ電流は流れません。

つまり、負荷が繋がっている時は、電荷を補充しないと電場を保てません。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。よく考えてみます。

お礼日時:2017/06/03 04:56

No.1です。

最初の文章は

「他の質問と同じように、問題の設定や説明されている内容が全く不明なので、どう説明してよいのか分かりません。」

です。スミマセン。

(「せつめいされている」と打つところを「せつめされている」としたようです)
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この回答へのお礼

説明不足なのに丁寧に回答していただきありがとうございます。申し訳ありませんでした。

順を追って解説していただいたおかげで分かっていない点がはっきりしました。

参考書の解説ページには負荷をつないで回路を形成したと書いてなかったので導体棒だけの場合と考えてしまいました。

そこで、導体棒だけの場合の回答はよく分かるのですが回路を形成した時で導体棒の中の力が釣り合った時の電子の動きについてよく分からないので教えていただけないでしょうか。

導体棒のみを動かすとまずローレンツ力が働き電子が片寄り、その片寄りによって電場Eが発生して
ローレンツ力=電場E
となり電子はそれ以上動かない

のに、なぜ回路があると電子は動くのでしょうか。今までは当然の事と考えていましたがよくよく考えると最初の画像でいいますとb→aへの力であるローレンツ力は電場Eによって「打ち消されて」いるので同じ速度で導体棒を動かすならローレンツ力=qvBよりローレンツ力も一定なのでそれ以上ローレンツ力は大きくならず、
よって回路を形成しても電子が流れようがないのではないでしょうか?

回答では「抵抗力と釣り合って等速運動になります」とありますが、
導体棒内では釣り合って力が打ち消し合っているのにb→aに向かって電子が動くのは何の力が働いているのでしょうか

お礼日時:2017/06/03 04:27

他の質問と同じように、問題の設定や説召されている内容が全く不明なので、どう説明してよいのか分かりません。


導体の下の「レール」も導体で、その先に「負荷」があって回路を形成しているという前提で説明します。
もし、「導体棒」が絶縁体のレールの上を動くなら少し説明が変わりますから。

>その後なぜ電子は等速でb→aへ移動するのでしょうか。

どこに「その後」と書いてあるのでしょうか?

現象を順を追って書けば
(1)導体内には自由電子がある。何もなければ静止している。
(2)導体棒が速度 v で動けば、導体内の自由電子も速度 v で動く。
 (これは「荷電粒子の運動」と考えてもよいし、「電子の移動」つまり「電流」(方向はその逆)と考えてもよい。
(3)磁場中なので、運動する電子にはローレンツ力が働く。このローレンツ力によって電子が「ちょっとだけ」動いて電荷の偏りが生じ、導体棒の両端に電位差が形成される。
 もし、導体棒の両端に負荷が接続されていれば、導体棒の両端に形成される電位差が負荷を貫通して電場を作り、この電位差が負荷内に作る電場に従って電子が移動して電流が流れます。ローレンツ力あるいは電場だけだと電子は「加速度運動」になりますが、負荷の電気抵抗による「抵抗力」と釣り合って等速運動になります。その結果、導体棒の中でも電子は等速で移動します。
 これを導体棒の中で説明すれば、導体棒の両端に形成される電位差が導体棒内に作る電場によって電子に働く力と、上のローレンツ力とが釣り合って「力が働かない」ために、電子は加速されずに「等速で」運動するのです。

 画像にない部分で、こんなことが説明されているのではないですか?


 一方、レールが絶縁体で、導体棒が回路を形成していない場合には、導体棒の両端に電位差が形成されるのみで電流は流れません。(導体棒の両端に形成される電位差が導体棒内に作る電場によって電子に働く力と、上のローレンツ力とが釣り合うため)
 従って、この場合には「電子は等速でb→aへ移動する」ということは起こりません。

 なお、この導体棒の両端に形成される電位差が「起電力」で、

>導体棒を磁場内で動かした時、起電力が生じるが電流は流れないと教えてもらったのですが…

というのはその場合のことではありませんか? 負荷をつないで「回路」を構成すれば電流が流れます。
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