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電圧は何故導線にしかかからないのですか?

  • 暇なときにでも
  • 質問No.219385
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お礼率 47% (147/308)

非常に程度の低い質問ですが、、、
例えば電池に豆電球を導線で直列で繋いだとします。
その時、導線内の電子には位置エネルギーが加わり電子がマイナスからプラスへ移動しますが導線の外にある電子(空気中の電子とか)には電圧はかからないのですよね?
これって何故ですか?
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質問者が選んだベストアンサー

  • 回答No.4
レベル13

ベストアンサー率 61% (647/1050)

 
  >導線の外にある電子(空気中の電子とか)には電圧はかからないのですよね?
 
  そうではありません。導線の外にある電子にも、電圧はかかります。問題は、その程度です。また、空気中の電子に電圧がかかって、それでどういう効果が出るかの話になります。
 
  「電池」と仰っておられるので、一番普通の1.5ボルトの市販の乾電池のようなものを考えましょう。この場合、電池のプラス極とマイナス極があります。普通は、こういう電池が生産・製作されると、何か特殊な処置をほどこさない限りは、プラス極とマイナス極のあいだで、電界(電場)が発生します。この電界は、何か特殊な遮断壁などがなければ、空間全体に広がっていて、そのなかのあらゆる電荷、例えば電子やイオンや、色々な荷電粒子などに力を及ぼします。ただ、それは「非常に微弱な力」です。また、できる電界(電場)も非常に微弱な、微かな、弱い電場です。普通は、この程度の電場は、電池がなくとも、自然状態でもあります(静電気の造る電場がそうですし、もっとレヴェルが低くなりますが、太陽からも電場の元になる荷電粒子や電界が放射されています)。
 
  仰っておられる電気回路を造ると、豆電球に電気が流れ、豆電球が点灯し、電気エネルギーが、熱や光のエネルギーに変化します。また、消費した分の電気量に応じた電流が、電線=導線のなかを通過します。
 
  ここで、考えてみてほしいのは、この回路を造る導線を、非常に長くすることです。例えば、電池だと、プラス極とマイナス極が一定距離にありますが、これを、例えば、4万キロメートル離れた位置に置けるものとします。これだけ離れると、普通は、4cmほど離れているだけのプラス極とマイナス極が、4万キロメートルも離れているので、その二つの極のあいだの電界は、もの凄く弱く希薄なものになります。しかし、豆電球の回路の方は、導線に非常に優秀な、途中の抵抗がほとんどゼロのようなものを使えば(現実的には、銀や金を使っても、4万キロメートルとなると、導線抵抗が無視できなくなるほど大きくなりますが、ここは、「超伝導」というものも現にありますし、そういう導線抵抗ゼロに近いものが実現できるとします)、豆電球は、あいだの4万キロメートルの距離に関係なく点灯します。
 
  一方の電界(電場)は、4cmから4万キロメートルにすると、もはやあるかないかも分からないくらい小さなものになるのに、同じ回路の豆電球は、4万キロメートルの距離をものともせず、何故同じように点灯するのか? ここに問題のキーがあります。
 
  つまり、導線のなかで、電子が流れる時、それは、空気中や真空中で、電場の力で引き寄せられて電子が移動するという運動とは別の原理による電子の運動だということです。
 
  1.5ボルトの電位のプラス極のすぐ近くの電子は、回路が成立した瞬間に、プラス極の電位がプラスで高いので、そこに引き込まれます。すると、導線のなかで、その電子(自由電子)の占めていた位置に空きができます。この空きに、少し離れた隣の電子が入り込みます。この場合、「空き」そのものが、プラスの電位を持っていて、この空きのプラスの電位に引き寄せられて、隣の電子は、この空きの位置へと移動するのです。こういう移動過程がずっと、導線のなかで続いて行きます。2万キロメートルも、プラス極から離れた位置でも、同じことで、空きの位置のプラス電位が、隣の電子を引き寄せ、電子の移動が起こります。
 
  2万キロメートルも離れると、真空中であっても、1.5ボルトぐらいのプラス電位では、あまりに電場が小さくて、電子をとても引き寄せるどころではなくなります。無論、何千年もかければ、導線のなかで起こったような、電子の位置移動が起こるかも知れませんが、導線のなかでの電子の位置移動は、ほとんど瞬間、光速に近い速度で起こります。こんなことは、電池が真空中に、あるいは空気中に造る電場ではとても起こりません。
 
  いまのは、一つの電子が、プラス極に引き込まれると、その後、何が起こるかの話ですが、プラス極に引き込まれるのは一個の電子だけではなく、もの凄く多数の電子が引き込まれ、空いた位置に次々に電子が移動して来て、こういう自由電子の高速の移動によって、導線内で電子が流れ、電流が流れるのです。
 
  上の導線内の電子の流れの説明は一種の譬えで、そのままではありませんが、基本的にはこういう原理で、導体内を電子は流れます。他方、空気中や真空中の電子の電場による移動というのは、クーロン力の遠隔的作用というような力の作用原理に基づき、一見すると、電池の造る電界で、空気中の電子移動が起こっていないように見えるのです。
 
  実際は、他の方も言われているように、「放電」という形で、空気中を通じての電子の移動が起こっているのです。ただ、非常に規模が小さく微かなので、何ヶ月も経過しないと、効果が目に見えて分からないのです。
 
  (追記:空気は、かなりに絶縁性が高いですが、非常に高い電圧がかかると、絶縁体ではなくなります。絶縁強度とも言いますが、耐絶縁抵抗を越える電圧を超える電圧がかかると、絶縁は破壊され、電気が流れます)。
 
お礼コメント
jimihenn

お礼率 47% (147/308)

詳しいお答えどうもありがとうございました。まさにかゆい所に手が届いた感じです!
投稿日時 - 2002-02-23 13:42:24
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その他の回答 (全4件)

  • 回答No.1
レベル9

ベストアンサー率 31% (41/129)

一言で言うと金属とか導電体中の電子は動きやすくて 空気とかプラスチックとか絶縁体中の電子は動きにくいからです。 ですから、電気を流している時、導線にも空気にも電圧はかかっていますが 導線の電子はその電圧で電子が動くのに対し 空気の電子はその電圧では電子を動かせないんです。 ですから空気でも電圧を上げれば電気を流すことができます。 氷のチューブに水を流したときを考えたら良いかもしれません ...続きを読む
一言で言うと金属とか導電体中の電子は動きやすくて
空気とかプラスチックとか絶縁体中の電子は動きにくいからです。

ですから、電気を流している時、導線にも空気にも電圧はかかっていますが
導線の電子はその電圧で電子が動くのに対し
空気の電子はその電圧では電子を動かせないんです。
ですから空気でも電圧を上げれば電気を流すことができます。

氷のチューブに水を流したときを考えたら良いかもしれません。
どちらも水分子からできていますが、液体の水は動きやすいから流れるけど
氷になると水が流れるぐらいの圧力では動きません。

ちょっと感覚的な説明ですが、ざっとそんなところです


  • 回答No.2
レベル8

ベストアンサー率 21% (3/14)

実際には導線の外のある電子たちにも電圧はかかっています。 そして空気中などの電気抵抗は導線に比べてはるかに大きいため電流は流れないように思えますが実際にはほんの少しだけ流れています。 導線をつないでいない状態でも長い間放置した電池はなくなりますよね。 あれは導線に電気が流れるように周りの空気にも流れているのです。
実際には導線の外のある電子たちにも電圧はかかっています。
そして空気中などの電気抵抗は導線に比べてはるかに大きいため電流は流れないように思えますが実際にはほんの少しだけ流れています。
導線をつないでいない状態でも長い間放置した電池はなくなりますよね。
あれは導線に電気が流れるように周りの空気にも流れているのです。
  • 回答No.3
レベル13

ベストアンサー率 43% (535/1229)

>例えば電池に豆電球を導線で直列で繋いだとします。 その時、電池の電圧は、導線の電気抵抗はごく小さく豆電球の電気抵抗は大きいので、銅線では、ほとんど電圧降下をしないで、電圧は豆電球の両端に掛かります。 豆電球を含む直列回路には、電池の内部抵抗と導線の抵抗を無視すると電圧を豆電球の電気抵抗で割った値の電流が流れます。(適切な単位をつける) 空気は、銅線や豆電球の電気抵抗に比較して、ほぼ理想に近い絶縁物 ...続きを読む
>例えば電池に豆電球を導線で直列で繋いだとします。
その時、電池の電圧は、導線の電気抵抗はごく小さく豆電球の電気抵抗は大きいので、銅線では、ほとんど電圧降下をしないで、電圧は豆電球の両端に掛かります。
豆電球を含む直列回路には、電池の内部抵抗と導線の抵抗を無視すると電圧を豆電球の電気抵抗で割った値の電流が流れます。(適切な単位をつける)
空気は、銅線や豆電球の電気抵抗に比較して、ほぼ理想に近い絶縁物(電気抵抗が無限大に近い)なので空気には、電流は流れません。
  • 回答No.5
レベル12

ベストアンサー率 23% (50/216)

”電池に豆電球を導線で直列で繋いだとします” とすると、銅線の周りにはガウスの法則どおり、電場ができます。 (右手の親指を上げて、グーに握ったことありましたよね。) この電場(電界)が導体、半導体に電位差をもたらし、力を与えます。 ほんのちょっと影響あるのでしょうね。
”電池に豆電球を導線で直列で繋いだとします”
とすると、銅線の周りにはガウスの法則どおり、電場ができます。
(右手の親指を上げて、グーに握ったことありましたよね。)
この電場(電界)が導体、半導体に電位差をもたらし、力を与えます。
ほんのちょっと影響あるのでしょうね。
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