高校物理・化学で、電流とは電子の流れによって引き起こされるということを

質問

高校物理・化学で、電流とは電子の流れによって引き起こされるということを習い、そして電子の流れと電流の流れは逆方向であるということも習いました。
もし電子と電流の移動の方向が一定だったならその様子もイメージできるんですが、逆となるといまいちイメージがわきません。

もし仮に電子・電流の動きをスローモーションで視認できたとしたら、どのようにみえるんでしょう？
左が陰極・右が陽極だとすれば、左から電子が移動をはじめると同時に右から電流が流れるんですか？
それとも左から電子が右へ移動しきったあとに電流が左へ移動するんでしょうか。

そもそも電流とはなんなんでしょう。
電子の移動＝電流なら、電気は電子なんだということになりすんなり理解できるんですが、電流とは電子の移動によって引き起こされるものであると言われても、つまり電流って何？ということになってしまいます。
『何』というのには色々な意味がありますが、取り敢えず物質的・粒子的にはなんなのでしょう？

回答No.8

yespanyong · ベストアンサー

No.7です。細かい話になりますが、ちょっと訂正というか補足というか。

＞針が振れるのも手が痺れるのも同時になりますが。

手の痺れに関しては、左右の手の電気抵抗が同じとは限らないので(手のひらの汗ばみや脂分などによっても変わる)、条件によっては片方だけ痺れるということもあるかも知れません。

いずれにせよ電流の向きが影響することはありませんが。

回答No.13

k_kota

電流は電子の流れの逆です。
もしくは正電荷の流れとも言えます。

確かに分かりにくいのですが、これは電流の流れとか電荷の値の正の方向を決めたあとに電子が発見されたからです。

電子の流れは電流だが計算上の値はマイナス、と言うのがいいですかね。

お礼

皆さん多くの回答・意見をありがとうございました。
混乱の原因は、電流を線路を走る電車のようなものだと考えていたことと、電流の向きを定義付けることの意味をあまり深く考えなかったことにあったんだと思います。
磁力のことも考えると電流の向きについて共通の見解を持つことは重要ですね、そこに最初に気がつくべきでした。
ただ、厳密に言えば一つの電線において電流の流れる（各点において電気を感知する）順番はあるということなので、やはり個人的には電流の向きというのはその順番に対応したものにすべきだと思いました。
つまり、電子が引き起こす電気現象の場合は今定義付けられているものと逆ですね。

回答No.12

sak_sak

“流れるプール”ってわかりますか?
もし仮に一旦どこかを堰きとめて、その後それを解除したら
どこが一番最初に流れ出すか判断できそうですか?

電子の反対に、正の電荷を持つ電子が存在します。
同様に負の電荷を持つ陽子も存在します。
ということは宇宙のどこかで
正の電荷を持った電子が流れているかもしれません。

また、水溶液中では電子が電気を流しているわけではありません。

補足

流れて循環している状態での話はしていませんし、流れるプールでの流れの方向はわかりますし、堰き止めるというのが電気現象の何を例えているのか全くわかりません。

回答No.11

yespanyong

＞電池の種類にかかわらず、電流計が振れる順番で電流の方向を定義付けるのがよ
＞り相応しいと思います。

もうこれはほぼ同時としか言いようがありませんが、そこをあえて超ミクロに考えてみましょう。

先ほどの電池充電の例で仮に各電極に超ミクロ時間分解能を持つ検流計を設置できたとすると、

充電器に電池の＋極を先に差し込んで－極を後から差し込んだら
充電器正極←電池正極←電池負極＝充電池負極
の順に針が振れるでしょう。

充電器に電池の－極を先に差し込んで＋極を後から差し込んだら
充電器正極＝電池正極→電池負極→充電池負極
の順に針が振れるでしょう。

要は最後の接続個所に最も大きな電位差が発生しているはずなので、電流はその場所から高速で伝播していくのではないかと考えます。

上記の２つの例のイメージとしては、長大な貨物列車を先頭から引っ張るか、最後尾から推し進めるかの違いにたとえられるのではないでしょうか。
最初に動き始めるのが先頭車両か最後尾車両かの違いがあり、力の伝播する方向も先頭→最後尾なのか先頭←最後尾なのかの違いがありますが、定常状態になれば結局は先頭に向かって走ることになります。

なお、
＞電気の性質を示す順番と定義付けされた電流の方向は揃
＞えたほうが分かりやすいと思うので。
この一文が私には理解できませんでした。もしこの文章で何が言いたいのかを私が理解できていたら、また違った回答ができたかもしれません。

回答No.10

BookerL

＞2つ以上の検流計を用いたり、あるいは人間が左手と右手で電線を掴み（色々と現実的じゃないですけど）電流を流してもらえば先に針が振れる、あるいは痺れた手から、後から振れる痺れるした物の方向に電気が流れていると言えるのではないかなと思うんですよね。

　おもしろい発想ですね。

　で、現実に検出可能かどうかの議論は別にしても、検流計の触れる順番と電流の方向は別物です。

　金属中の自由電子が移動するのは、そこに電場があるからです。導線が電池につながって電流が流れているとき、金属中の電場は電池の正極・負極によって作られています。

　導線が初め負極につけられ、それから正極につけられて回路が完成するとして、

　正極　- - - - - - - - - - 負極　←回路が完成した。間の - - - は自由電子

正極のところの電子が正極に引かれて移動する

　正極- 　- - - - - - - - - 負極
　　　←

自由電子が移動して少なくなったところに次の自由電子が移動する

　正極 　- 　- - - - - - - - 負極
　　　　　←

それが次々に続く

　正極 -　 - 　- - - - - - - 負極
　　　　　　　←
　正極 　-　 - 　- - - - - - 負極
　　　　　　　　←
　正極 - 　- 　- 　- - - - - 負極
　　　　　　　　　←

　電子が移動するとき検流計が振れるとすれば、この場合、正極に近い方で先に振れることになりますね。

　回路を作るとき、先に正極に導線をつないでおいて、後から負極につなぐと、上と逆に負極に近い方が振れることになります。

　定常電流が流れるようになれば、導線中のすべての場所で電場は一定になり、自由電子の移動もすべての場所で同じように移動するようになります。

　つまり、電子の移動を起こす原因がどちらに伝わるかということと、電子がどちらに移動するかということは別物なのです。

回答No.9

yespanyong

＞もし後者ならやはり真の電流の方向（定義付けによりふさわしい電流の方向）と
＞いうのは存在するということになるんでしょうか

「真の電流の方向」って何ですかね？

例えば、リチウムイオン電池を充電する場合を考えると、一般的にいう電流は
充電器正極→電池正極→電池負極→充電器負極
の向きで流れているとされます。

この場合の実際の荷電粒子の動きは
充電器正極←電池正極 の向きで電子が流れる
電池正極→電池負極 の向きでリチウムイオンが流れる
電池負極←充電器負極 の向きで電子が流れる
となりますが、このときの「真の電流の方向」はどう定義すべきですかね？

補足

電池の種類にかかわらず、電流計が振れる順番で電流の方向を定義付けるのがより相応しいと思います。電気の性質を示す順番と定義付けされた電流の方向は揃えたほうが分かりやすいと思うので。
一本の導線・電線において人間が知覚できるかできないかに関わらず電流計の振れに時間差があるのかどうかによりますが。
時間差がなく完全に同時なら上の方法では電流の方向を考えることができないので。

回答No.7

yespanyong

＞ただ、一つ気になるのは、2つ以上の検流計を用いたり、あるいは人間が左手と
＞右手で電線を掴み（色々と現実的じゃないですけど）電流を流してもらえば先に
＞針が振れる、あるいは痺れた手から、後から振れる痺れるした物の方向に電気が
＞流れていると言えるのではないかなと思うんですよね。

本当に非現実的です。
針が振れるのも手が痺れるのも同時になりますが。

例えば2つの検流計を銅線で繋いで電流を流した場合を考えると、検流計の導電部分と銅線にはすでに自由電子が満たされてますので、電流が流れはじめた瞬間にこれらの自由電子が一斉に動くことになります。一方の検流計が先に振れるなんてことはどんなに時間分解能の高い測定機器を使ったとしても到底考えられません。

補足

回答ありがとうございます。
>一方の検流計が先に振れるなんてことはどんなに時間分解能の高い測定機器を使ったとしても到底考えられません。
これは理論的にありえないということですか？
それとも現実的にはありえない、不可能だということですか？
もし後者ならやはり真の電流の方向（定義付けによりふさわしい電流の方向）というのは存在するということになるんでしょうか

回答No.6

BookerL

＞もし仮に電子・電流の動きをスローモーションで視認できたとしたら、どのようにみえるんでしょう？
＞左が陰極・右が陽極だとすれば、左から電子が移動をはじめると同時に右から電流が流れるんですか？
＞それとも左から電子が右へ移動しきったあとに電流が左へ移動するんでしょうか。

　この辺のことは、わかってしまえば簡単なのですが、初めは混乱するところかも知れません。
　強いていえば、「左から電子が移動をはじめると同時に右から電流が流れる」というのが正解に近いでしょう。ただし、電子１個１個が見えるスローモーションでも、「右から流れる電流」は見ることができません。
　原子レベル（ミクロの立場といいます）で見て「電子が左から右へ移動して」いるときに、人間レベル（マクロの立場といいます）で見て「電流が右から左へ流れる」といっている、ということになります。

　凧に雷を落として雷が電気現象であることを示したことで有名なフランクリンが、「電流の向き」を現在のように決めたのですが、そのころは原子の構造はわかっておらず、電子の存在は知られていませんでした。彼がどのようにしてその向きを選んだのかはわかりませんが、まあ、たまたまこっちを選んだ、ということかも知れません。

　後に電子が発見されると、金属中を移動する電子の向きが電流の向きと逆向きであることがわかりましたが、それまでに電流に関するいろんなことが広まっており、その名称を変更するのは大変なので、そのままにして現在に至っています。

　ただ、金属中の電流では電流の向きと移動する粒子の向きは逆ですが、すべての電流でそうであるわけではありません。

　食塩水の中を電流が流れるとき、ナトリウムイオンは電流と同じ向きに移動し、塩化物イオンは電流と逆の向きに移動します。
　また、真空中を陽イオンが移動しても、それは電流であり、イオンの移動の向きは電流の向きと同じになります。

補足

たくさんの回答をいただけて嬉しいです。
しかし、やっぱりすんなり落ちません。
皆さんの話を聞いていて思ったのですが、もしかすると私は電流というものを勘違いしているのかもしれません。
私の中での電流のイメージというのは、落雷やアニメーションに出てくるような稲妻なのですが、落雷はその名に落という文字がはいっているように、（基本的には）上から下へ電気が流れる現象ですよね。
そして落雷の場合その電気は目に見え、スローで見るとその方向性もしっかり確認できるものだと思うんです。
しかし化学で扱うような電流はミクロの世界ですら直接視覚することはできないとのことですから、そもそも物質として電流というものが存在するものではなくて、物質としてではなく現象としてしか存在しないのだから電流の方向というのも決めた者勝ちということなんでしょうか。

つまり、電流の方向が正極から負極にいくのは何故？と聞くのは日本語でbookを本というのは何故？と聞いているようなもの・・・？

ただ、一つ気になるのは、2つ以上の検流計を用いたり、あるいは人間が左手と右手で電線を掴み（色々と現実的じゃないですけど）電流を流してもらえば先に針が振れる、あるいは痺れた手から、後から振れる痺れるした物の方向に電気が流れていると言えるのではないかなと思うんですよね。
電気が上の２つの現象を引き起こす原因だとすれば

回答No.5

vsl2000

＞定義と実態が食い違っているということはつまり、
＞実際には電流の方向と電子の流れる方向は同じで、

　いいえ違います。
　定義とは電流の方向で、実態とは電子の流れですから、定義と実態とが食い違っているということは実際には電流の方向と電子の流れる方向とは逆になっているということです。

＞当時は電流は陽極から陰極に流れると考えられていたので、現在でもその考えを採っているということですか？

　はい、そのとおりです。
　なお、＃４の回答者さんのご指摘のように、電池をお考えでしたら、電流は正極から負極に流れると表現したほうがよいと思います。

＞電流の流れなんて視認出来ないんだから陽極から陰極に流れていようが陰極から陽極に流れていようがどっちでも同じだということなんでしょうか

　いいえ違います。
　電子が発見されていない昔でも、導線のそばに置いた磁針の動きから電流には方向性があることがわかっていました。しかしその方向は視認できないけれども、流れる方向をめいめいが勝手に決めたのでは混乱を起こしますから、正極から負極に流れることにしようと決めた（定義した）のです。
　ところがその後電子が発見されてみると、残念ながらその流れの方向は、定義されていた電流の方向とは逆だったのです。
　しかしもう既に電流の方向の定義は世界中で使われており、いまさら電子の流れと同方向に変えることは出来ず、そのまま現在に至っているのです。

＞しかし、スローで電流を認識できるとすれば電子の流れと電流の方向は同じになってしまいますよね

　いいえ、なりません。

回答No.4

noname#120160

別の解答者様がお答えになられているので，蛇足になるかもしれませんが，例えばこんな風に考えてみるといいのではないでしょうか。
前提として，導線は金属結合により，金属イオンと自由電子からできているのはご存じですよね。金属イオンは規則正しく並んでいて，その間を自由電子が動いているというそんなイメージです。
それではあなたがミクロなサイズの人間になれるとして（！），自由電子の上に乗って金属イオンを見た場合を想像してください。自分は正極にむけて運動していますが，金属原子は負極に向けて運動しています。もちろん速さは同じです。また，金属イオンは陽イオンですから正の電荷を持ちます。
つまり「電流というのは，電子の上に乗っている観測者から見た場合の金属イオン（陽イオン）の動きである」と考えられます。

混乱させたら御免なさい<(_ _)>

追伸：電池は正極と負極です。陽極と陰極は電気分解において用いられる言葉です。注意して用いられると良いと思います。。

回答No.3

yespanyong

「電流」の向きというのはあくまでも概念的なもので、金属など電子が主な電気の担い手である場合は「電流」の向きに流れる物質や粒子はありませんので「電流」をスローモーションで見てみたいと思ってもそれは無理です。

ただ、Ｐ型半導体などで起きている現象はご質問のイメージに近いかもしれません。非常に大雑把な説明をすると、一般的に半導体には金属のような自由電子が無く、電子は結晶配列の中に組み込まれているようなイメージでとらえられます。Ｐ型半導体ではこの結晶中の電子がいるべき位置のところどころに電子がいない場所があるというのが特徴で、この素子に電圧をかけるとその「穴」を介在して電子の移動が始まります。すなわち、陰極から陽極に向かう方向に１個の電子がその「穴」を埋めようとして移動します。するとその電子が元いた位置に新たな「穴」ができ、別の電子がその新たな「穴」を埋めようとして移動します。これが繰り返されて陰極から陽極へと電子の流れが起こるわけですが、見かけ上陽極から陰極に向けて「穴」が動いているようにも見えます。すなわちＰ型半導体での「穴」の挙動を観察すればご質問の「電流」の視認が実現するのかもしれません。もちろん「穴」なので物質的にはそこに何もありませんが。
この「穴」は専門的には正孔と呼ぶものです。

＃他にもイオン導電体とか使えば「電流」が観察できそうですが、長くなりそうなので説明は省略。