電圧とは？

質問

電圧をかけるとは具体的には何をしているのでしょうか？
電子を生産して加えているのでしょうか？

また、＋極（もしくくは－極）に銅線をつなげただけでは電流は流れませんが、
電圧はかかっていると表記されています。

電圧がかかっていると、銅線内ではどのような現象が起きているのでしょうか？
電子がかたよっているのでしょうか？

回答No.7

shkwta

電池の＋極に針金Ａ、－極に針金Ｂをつなぎ、ＡとＢは接触していない状態を考えます。
このとき起こることは次の通りです。

(1)電池は針金Ａから電子を奪います。その量は(7)を参照してください。

(2)電池は針金Ｂに電子を押し込みます。その量は(7)を参照してください。

(3)針金Ａの内部の（マクロな）電界は０です。また、針金Ｂの内部も電界は０です。これは、少しでも電界があれば電子が移動し、電界０の状態に落ち着くからです。

(4)電池、針金Ａ、針金Ｂの周囲の空間には電界があります。このときの電気力線の様子は、針金Ａのいたるところから電気力線が出発し、針金Ｂのいたるところで電気力線が終わるという形になっています。

(5)針金Ａから針金Ｂまで電界を線積分したものは、線積分の経路に関係なく、電池の電圧（起電力）に等しくなります。

V=∫[Ａ→Ｂ] E・dr

V:電圧、E:電界（ベクトル）、dr:経路の各点の進行方向を向いた微小ベクトル、「・」は内積

(6)針金Ａは、正に帯電しています（つまり、電子が少なくなっています）。また、針金Ｂは負に帯電しています（つまり、電子が多くなっています）。このときの電荷の分布は、針金の形状によってきまり、一般には「均一」ではありません。

(7)針金Ａと針金Ｂの対は、コンデンサーと見なせますので、電気容量Cを持ちます。針金Ａが有する電気量は+CV、針金Ｂが有する電気量は-CVです。

よくわからなかったら補足してください。

お礼

ありがとうございます。
だいぶん分かりました。

回答No.6

ytrewq

1. 電位にはプラスとマイナスがありますが、特に指定がなければ、マイナス接地を考えるのが普通です。電位の高いところににはプラスの電荷があるということになりますが、プラス接地でマイナスの電位が高いという言い方も可能です。

2. 電位と電荷の関係はそんなに簡単ではなく、電磁気学を使って、いろいろな条件を論じる必要があります。大雑把にいうと次のようなことになります。
　静電界（静電気）においては一定量の電荷を考えますので、電圧(電位）と電荷には関係式が成り立ちます。
　しかし、電池や電源が発生する電圧の場合は、バックに大きなエネルギーをもっている前提でかんがえることになるので、そこから電荷がいくらでも供給されますから、電荷量を特定できず、電圧と電荷の間に関係式はありません。

3. 「電荷に導体を接触させた」というのは解かりにくい表現です。
　もし、導体内に電流が流れる状態にしたというのならば、導体の抵抗値に応じて、導体の両端に電圧を生じる（別の言い方をすれば、導体の接続された電源電圧）のでその電圧を導体の長さで割った値の電界を生じます。　しかし、No.5で回答したように、導体は抵抗が小さいので、電界の値は小さなものです。
　電流が流れてないときは導体内に電界は生じません。

お礼

ありがとうございます。
なんとなく分かってきました。
もう少し自分で勉強してみます。

回答No.5

ytrewq

>導体の一端に電圧をかけるとその導体の周りに電界ができるという現象
というのは正確性を欠きます。
電界は空間的な概念を含みます。つまり方向（ベクトル）を持ちます。
その強度は電圧を距離で割った値で表現します。（Ｖ／ｍ）
そして、電圧は相対的なもので、「電圧をかける」という表現には基準となる電位が存在します。
導体の一端に電圧をかけたときの電界とは、その電圧の基準となる電位が存在する場所
と導体との距離に応じて、できるものであって、導体を流れる電流とは関係ありません。

電界による導体内の電子の偏りはゼロではありませんが、導体の周りの磁界変化によって生じる電子の偏りに比べてきわめて小さく無視できるといっていいと思います。
導体は電気を良く通すものを指しますが、電気を良く通すということはその中で電位の変化がすくないということであり、すなわち電子の偏りが少ないということを意味します。
従って、電界中に導体を置くと、導体の部分の電位が同じになります。また、導体で囲われた中には電位が発生しませんから電界が入り込むことができないので、電磁シールドになるわけです。

お礼

回答、ありがとうございます。
自分はもっと基本的なところで勘違いをしているような気がしてきました。
電位0をアースとして考えます。
以下はどこまで合ってますでしょうか？

１．電位が高いとは、そこに＋の電荷があるからと考えていいのでしょうか？
２．電位は電荷によって生じると考えていいのでしょうか？
３．電荷に導体を接触させた状態では、導体内には電界は生じていないのでしょうか？

回答No.4

ytrewq

電流は電子の流れです。　金属のような良導体には自由に動ける電子があり、これが一定方向に流れている状態が電流です。　１秒あたり１クーロンの電荷が流れていれば１アンペアです。電子１個の電荷は1.6×10^19クーロンなので、１Ａの電流とは１秒あたり1.6×10^19個の電子が流れている状態です。
実際の導体は電子が流れを妨げる抵抗があります。　このため、電流を流すためには圧力をかけて電子を押し込まなければなりません。　この圧力が電圧です。

お礼

回答、ありがとうございます。
圧力というのは電界をかけると理解してよろしいでしょうか？
もう一つ理解できないのは、導体の一端に電圧をかけるとその導体
の周りに電界ができるという現象です。
これはすなわち、導体表面に電荷か集まっているとは考えられないのでしょうか？
導体内部には電流が流れていないので、電界はかかっていないけれど、周りには
電界が形成されているということは、導体内にある電荷（電子）が移動なり
なんなりが起こっているのではないかと想像しています。

回答No.3

ken_ken2

ちなみにひとつ補足をしておくと、電子は生産するものではなく移動させることによって電気が流れるので、この電子を移動させる力自身を電場（電界）（１クーロンあたり）、この力のポテンシャルを電位（いクーロンあたり）、実際の電子の流れの速さを電流などというわけです。

お礼

再び、丁寧な説明ありがとうございます。
かなり理解できました。

回答No.2

ken_ken2

再びno.1です。

電子がどうなっているかという微視的なところで言うと、片方の極に電子が集まっている状態であるといえます。具体例でいくと、、、

・磁界などによって電圧がかかった金属棒で行くと金属内の自由電子が片方に偏った状態（当然もう片方は正に帯電した状態になる）

・電池などでいくと、化学的な反応により、片方の極から電子が放出できる状態（すでに電荷が蓄えられてるわけではない）。この場合もう片方の極では電子を受け取れる状態になっており。極同士をつなぐと電子が移動する。

・平面板コンデンサーで行くと向かい合った二極にそれぞれ+、-と異種の電荷が蓄えられている状態（この場合は「偏ってる」ではなく、実際に電子が蓄えられている（もう一方の極は電子を失いプラスに帯電している状態））

であるなどどいえます。つまり電子のふるまいはそれぞれですが、極同士をつないだときに電子の移動が起きるような状態にあることを電圧がかかっているといいます。

回答No.1

ken_ken2

この質問からすると範囲としては高校物理でしょうか？できるだけ難解な記号とかは抜きにイメージで行くとすると、、、。
電圧とはつまり、電気の位置エネルギーの差のことです。たとえばテニスボールを床から机の上に置いたとき、このテニスボールは床と高低差を持っている（重力による位置エネルギーに差がある）ことになりますよね？でも床と机の間にレールでも引いてあげない限りテニスボールが床に落ちる（転がる）ことはありません。つまり高低差があるだけではものは動きません。

これと同じことが電気に対してもいえて、電池のプラスとマイナスをつなぐと（間に豆電球か何かをいれて）電気が流れます。ということはこの電池の間に電気的な位置エネルギーの差（さっきのテニスボールの例で行くなら高低差）があることになります。

ただプラスにだけ銅線をつないでも、さっきの机の上においたテニスボール同様、電気が動くことはありません。（でも、電圧（高低差）は存在しますね？

つまり電圧のかかってるところにレールをしいてやる（回路を作ってやる）と電圧によって電気が流れることになります。

イメージとしては電気を流す力の潜在能力みたいなところです。

ちなみに、銅線内部では変化はありませんが電圧のかかっているもの（たとえば電池）のないぶでは電子がかたよっていると考えてよいでしょう

お礼

回答ありがとうございます。
電圧でググると、例え話し（重力ポテンシャル）でしか説明されていません。
自分は具体的に電子がどのような振る舞いをしているのかを知りたいです。
記号、式等を使われてもかまいません。