電流が導体を動く速度は？

質問

あちこち探ったのですが、まだぴんと来ません。
導体中の電子の速度が結構遅い事は理解しましたが、実際に変電所でｓｗを入れたら”すぐ”どこの家庭でも電灯がともるようです。
ある回答には導体に磁界が発生して、これが光速で伝播するとありました。この磁界が電流を導体全体で発生させる源ならば、つまり、やはり電流は光速で伝播するということなのでしょうか。この磁界は思うに電磁波の一種なのでしょうか（例えば５０Hzの長波？）。こういったことはどこにも見えていませんが？
ご存知の方、ご教授ください。

回答No.4

ORUKA1951 · ベストアンサー

電子の移動速度は簡単に計算できるので計算してみてください。
導体を銅とすると、銅の原子量と比重から断面積2.0mm^2×1mに含まれる電子の数は算出できます。(銅の導電帯の電子数は２個)、電子一個の電荷は、(－1.60217653×10－19クーロン）。
1クーロンは1秒間に1アンペアの電流により流れる電荷です。

　計算すると、意外と電子の速度は遅くて、カタツムリより遅いのです。

　電子が押されて隣に移動し、それが隣に・・だといつまでたっても点灯しません。トイレの入ろうとスイッチを入れたら数時間後に点灯したなんてことに。

　では、どうやって電流がはやく伝わるかというと、スイッチが入ったとたんにその部分には電界(電場)が発生します。電解中に置かれた電子は電界の方向に移動を始めます。言い換えると電界の移動速度=電流の速度なのです。
　電子の移動自体は電流には直接関係しません。たとえばイオンによる水中での電流、P型半導体内の電流とか。
　その電場の変化が伝わる速度は、その物質の誘電率に依存しますから、言い換えるとその物質内を電磁波の伝わる早さ＝光の速度と同じです。

　問題は導体が空気中に置かれている場合は導体の表面では空気中の光速で電場の変化が伝わりますから、内部より表面のほうが早く伝わる。
　これが問題になることがあります。たとえば高周波を流したときの表面電流とか。
≫（例えば５０Hzの長波？）
ということです。またこれを利用した同軸ケーブルは電磁波の形で信号を伝える。

お礼

敏速なご回答ありがとうございました。
＞スイッチが入ったとたんにその部分には電界(電場)が発生します。電解中に置かれた電子は電界の方向に移動を始めます。言い換えると電界の移動速度=電流の速度なのです。
電界が光速度で導体に添って移動し、それに電子が引っ張られる現象が電流だと考えていいのですね。
しかし、電界というものは理解がなかなか難しいものですね。光なら直線的に走るだけで高速度は実感できますが、曲がりくねった銅線に添って光の速度で電界が移動するというイメージはなかなかわき難いです。でも、そういうものと理解しなければならないのでしょうね。

回答No.6

ORUKA1951

電流と磁界は区別してください。電流と磁界は相互に関係しますが、・・
一番良く分かる例は、コンデンサです。２枚の対面した板の一方に電荷があると、それによって生じた電場によって相手の電極に誘導電荷が現れます。当然、その電荷が集まるために電荷が移動してくるのですから、相手の電極に続く導体から電流が流れてきます。
　そもそも電流によって生じる磁界は電流の発生を抑える方向に発生しますし。レンツの法則・・

　ある空間に、一個の電荷が存在するとその周囲には、電界（電場）が発生します。電界(電場)の向きは正電荷から放射状に外に向かいます。
　その電界(電場)の伝わる速度はその空間の誘電率に依存します。

　電界(電場)が到達するとそこにある電荷を持ったすべての物質(電子・イオン・・)は移動を開始します。そのためにそれ自体が持つで電界(電場)でも移動する。
　電荷の移動によって周囲に磁界を発生しますがその向きは電荷の移動方向に対して同心円状のもので、その電荷自体の運動方向と逆向きの力をその電荷に対して加える向きに発生します。

　これは、水道パイプに水が詰まった状態で一方の端にあるコックを開いた状態に置き換えると、水圧という流体を押しやる力がパイプ内を伝播していくことと同じで、それはまさしく水道水中を伝わる音速と同じです。
　水を気体に置き換えれば水中よりも音速は遅くなりますから、パイプの向こう端から出てくるタイミングは遅くなりますね。
　コックを開けた瞬間にパイプ内の水はいっせいに動きはじめるけれども、それにはコックからの距離に比例して動き始めるタイミングは遅くなる。大事なことは動くということと、コックから入った水(分子)がもう一方の端からでてくる水(分子)は違うものだということさえ理解しておけばよいでしょう。

お礼

ご回答いただきありがとうございます。水道の流れは最大で音速になるのですね。また導体中を伝わる電界は誘電率に依存するということですね。銅の誘電率を以前からサイトで調べているのですがみつけきれませんでした。全体として私の疑問との関連を見つけるのにちょっと苦労しました。もう少し貴案文を眺めて考えて見ます。

回答No.5

3612masa

ただの電気設備技術者です。

下記のFAST（送電線故障点標定装置）が実用化されています。

http://www.hokkei.co.jp/f_1.html

これは、両端電気所に電界・磁界センサーがあり、落雷などの電気事故が発生した時（３相のバランスがくずれた時）にトリガー（起動）され同時受信されているＧＰＳの時刻情報を元に、到達時間差から、事故点（電気所からの距離）を標定（計算）する装置です。（落雷であれば、ほぼ近似点の標定をします）

この時に使用されている伝搬速度は、295.0ｍ／マイクロ・セコンドです。
（光速は、299.8ｍ/マイクロ・セコンドなので二アリイコール）

なお、架空線（気中）での標定が主で一部地中ケーブルを介すると、伝搬速度設定が難しいと聞いています。

このへんは、先のご回答者さまの説明が関係してくると思います。

お役にたてば・・・

お礼

ありがとうございます。電流？の伝搬速さを利用してこのような実用システムが活躍しているのですね。電気工業の理論と実践がまさに縄をあざなったもののような見事な景色なのが素人には凄く感じられます。
架線は大抵銅（アルミ？）の裸線だと思いますが、地中ケーブルはゴムとか塩ビ被覆だと思いますので、それが伝播速度に影響するのですね。ま、電界ですからたとえばトランスなどでは多分瞬時に移動するのでしょうが、複雑なプロセッサなどの中では（電界は）やはりかなりの時間を食って動き回るのかとか思ってしまいます。

回答No.3

chikin_man

回答番号：No.2の訂正です。
導体に電流を流すと、磁界が発生し、その伝搬速度は光の速度になることはよく知られています。
↑
磁界の伝搬速度とはいわないので、訂正します。
導体に電流を流すと、磁界が発生し、その空間全体に作用する。

お礼

補足説明どうもありがとうございます。
導体に電流が流れはじめるとそこに磁界が発生し、その磁界はその導体そのものに沿って光速に近い速さで伝播（伝搬？）する。その相互作用としてその導体自体に電子の動きが始まって電流となると理解させていただきます。また、その導体の周囲の空間にも磁界が発生しており、それが近隣の導体にも影響を与えてトランスやモーターの運用の原理になるということだと考えてよろしいのですね。この磁界が更に遠くに影響を与えるのが無線通信であり電波だと思うのですが、そうではないと仰る趣旨の方もおられるようなので疑問が解けないでおります。外へ飛び出すかどうかは、おそらく周波数の大小にかかわるのかと思うのですが、そうするとコンピューターの中では凄い周波数になっていて、あんな密接した配線状況では混線し乗り移ったりしてぐちゃぐちゃになることも考えられ、やはりこれは違うのかとも思います。電圧にも寄るのでしょうか。変なことを長々と書いて申し訳ありません。

回答No.2

chikin_man

よく、ところてん方式ということで電流の説明に使われます。
これは、電流が流れる前から電線内に電子が詰まっているので
入り口から押し出されて出口からでる、というイメージです。

電子の速度といわず、よくドリフト速度といいます。
電子同士が互いにぶつかり合い、前へ伝達する。電子１個の速度は遅くても連鎖するスピードは光の速さに近いというものです。

導体に電流を流すと、磁界が発生し、その伝搬速度は光の速度になることはよく知られています（コイルやモータが例）。質問の「この磁界が電流を導体全体で発生させる源」というよりも、「電流が磁界を発生させる源」になります。

磁界と電磁波は全く異なります。

お礼

ところてん方式という概念ですが、電子の動きそのものは遅いのに、どうしてその連鎖速度が光速度になるのかに疑問があってこの質問になったわけです。
ともかく敏速なご回答ありがとうございました。
参考にさせていただきます。

回答No.1

opechorse

質問の内容が
電流の伝達速度は光速と同じか
ということでしょうか

私の理解はちょっと違っていて
金属結合だと、電子は遊離して内部に漂っている状態です
発電所からのスイッチを入れた場合
少量の電子が直近の導体に入ります
そこであふれた電子が隣接する導体に入ります
そしてさらに隣接する導体に電子を供給します
これを繰り返すので、伝達速度は光速と同じくなります

モデルとしては
容器に水が一杯に入っていて、底部から注射器で水を押し込むと
上部から同量の水があふれます
この速度はほとんど同時になりますよね
こういう感じになると思います

お礼

敏速なご回答ありがとうございます。
参考にさせていただきます。