電流とは？

質問

電流についての説明では、電子の動きとか電荷の流れとか言う説明が多いですが、たとえば発電所で起こした電気が光の速さで家庭へ飛び込んでくるのはそんなイメージでは分かりにくいです。電子の動きは光よりもかなり遅いようなので、ここはやはり電界というようなものが主役なのではないかと思います。電界というものが光の速さで導体を走り、それにつられて電子が動くのだろうと思うのですが間違っているでしょうか。
その場合、どうしても反応に遅れが生じるのではないかと思うのです。最初に電気（電界）が走ってくる時の電子がつぎつぎにドミノ倒しのように動き始めるというのは、商用電源ではさほどでもない（ルーチンワークのような規則的なもの）でしょうが、インターネットのように大変な高周波でかつ複雑な、不規則なものでは翻弄される電子も大変だと思います。それにインターネットでは経路も沢山あって、別の（距離の違う）経路から来た電界の情報同士がずれて混乱するというようなことはないのでしょうか。それともそういったことのないように何らかの工夫があるのでしょうか。それとも電子の電界への反応は即時で、タイムラグはないのでしょうか。しかし同時に動くというのは電子の方で予想していない限りありえないと思いますが。

というのも、以前衛星放送で全世界同時にやろうとした小澤征嗣の音楽番組がそのタイムラグで問題になったことがあったと聞いています。やはり経路の距離の関係でしょうか？

回答No.3

tadys · ベストアンサー

＞電子の動きは光よりもかなり遅いようなので
その通りです。
Wikioediaの記述によれば電子の伝搬速度は「例えば断面が1mm2の銅線に1アンペアの電流を流した場合、電子は平均的に4.4mm/分の速度で流れる」とあります。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E6%B5%81
電子を光に近い速さで動かそうとするととてつもなく高いエネルギーが必要となります。
KEKの電子の加速器のエネルギーは８０億電子ボルトです。
http://www.kek.jp/ja/activity/accl/Linac.html

＞電界というものが光の速さで導体を走り、それにつられて電子が動くのだろうと思うのですが間違っているでしょうか。
ほぼ合っています。
電解ではなく電磁場です。
電磁場が走るのは導体中では無く、導体の周りの空間です。
導体は電磁場をその周りに集中させる役割をしているだけです。
十分な資料では有りませんが、参考になるでしょう。
http://www.geocities.jp/signalintegrityjp/signal-prop.htm
電気回路の中を電気信号がどう流れるかを考えるときに電子の動きを考える事は普通はありません。

インターネットの場合、信号そのものに工夫がしてあって二つ以上の信号が衝突した場合にそれを検出して通信をやり直す仕組みになっています。
簡単には説明できないので下記を参考にしてください。
http://www.atmarkit.co.jp/fwin2k/network/tcpip004/tcpip01.html

＞タイムラグはないのでしょうか
タイムラグはありますよ。
今の高速デジタル回路はGHｚ（ギガヘルツ）を超えるスピードで動いています。
１GHｚの１サイクルの間に信号が動く距離は３０cmぐらいのものなので、ちょっとした長さのケーブルでも回路の動作に比べれば十分に長いのです。
このぐらいの速さになるとちょっとしたことでも信号の波形が変化してしまう為回路が誤動作する事が有ります。
信号をどれだけ正確に伝える事が出来るかというのは「シグナルインティグリティ」と呼ばれています。
興味が有れば検索してみてください。

＞小澤征嗣の音楽番組がそのタイムラグで問題になったことがあった
これに付いては電気による遅れと言うよりは衛星通信を行う時の信号処理による遅れの問題です。
衛星通信をするにはアナログ信号をデジタル信号に直してからそれを符号化します。
符号化した信号を衛星を通して送信／受信しそれを復号化してからアナログ信号に戻します。
この符号化→復号化に時間がかかるのです。
テレビ放送がデジタル放送に代わってから時報のチャイムが廃止になったのもこの符号化→復号化に時間がかかるため、アナログ放送とは時間がずれるためです。
おまけに符号化→復号化の時間も決まったものではなく、絵の内容や処理する回路の性能などでも変わってきますので、あらかじめずらしておくという事も出来ません。

お礼

ご丁寧なご回答ありがとうございました。
よく分かりました。大層参考になりました。
シグナルラボのサイトのご紹介もありがとうございました。
私には難しいですがなんとなく面白かったです。
電界→電磁場　でいいのですね。これは電場と磁場の合成のように思っていたので、電波と一緒になるような気がして、電界と呼ぶのが正しいのかとなんとなく思っていました。要するに交流も電波も光も同じ電磁波の一種と考えていいのですね（導体に沿って走るか空間へ飛び出すかの違い？）。その”波”が導体の表面を走ると、そのエネルギーで導体内部の電子がじわっと動き、電磁場が左右すると電子も導体内部で揺さぶられるというイメージですね。交流はリターン回路が必要でも、電波は不要だというのも面白いです。電子の動きもだてではなく強電の大きなエネルギー伝達に関わっているのでしょうか。
BSのタイムラグは別にして、インターネットのタイムラグは興味がありますのでもうちょっとと勉強してみます。

回答No.2

fuscience_1

失礼ながら　＞１　の人の解答の以下の部分は、不十分か或いは不適切な表現では無いかと思います。

＞電界が光の速さで導体内できて、それにつられて電子が動くと言うことで良いです。
電子がつぎつぎにドミノ倒しのように動き始めると言う表現は間違いです。
導体の中の自由電子は非常に軽く、ほんの少しの電界でさらさらと動くと考えてください。
＜

　導体内の「実際の電子の動き」は、非常にゆっくりで、毎秒ミリ単位程度です。電子がドミノ倒しのように動くという表現は、当たっています。
　電子はドミノ倒しのように、わずかしか動きません。しかし、「押されて倒れる（動く）という状態は、非常に高速（導体内では光速の半分位。導体の種類による）で伝達する」と考えるのが正しいです。
　実際の電子の移動速度は、電子の電荷と、電流、導体中の電子数から計算できますが、高校物理レベルの計算となりますので割愛します。（希望であれば掲げる事は出来ます。）

　電子が軽い、というのは、質量の問題としては、軽いのですが、電荷という単位で考えれば、電子と陽子は等価です。ただ、電場によって同じ力を受けても、電子は質量が軽いので動きやすいのですが、陽子は重いのであまり動きません。しかし、軽いという電子でも動くときには回りのものとぶつかったり、電気的な反発力を受けたりするので、「さらさら」とは動けません。

　交流の電気の場合、プラスマイナスが入れ替わりますので、押されて移動した電子は、すぐに押し戻されて元に戻ってきます。つまり、電子は、ほとんど同じ位置を前から押されたり後ろから押されたりして、行ったり来たりしているのです。そうでなければ、コンデンサが交流電気を通す、という現象は起こりません。

　インターネットによる信号の遅れと、衛星放送による信号の遅れは、それぞれ違うものですが、どちらも、電子そのものが単独で移動する速度とは関係有りません。

　インターネットでの信号の遅れは、信号を途中何カ所もで受け取っては、その信号を整形し、増幅して送り出す、ということをやっているからです。

　衛星放送で遅れるのは、電波が、地上から衛星まで行って帰ってくるのに、光の速度でも時間がかかるからです。衛星までの距離は地上から約３万キロありますので、片道で光速で０．１秒かかります。往復ではこれの倍ですが、世界の各地に届けるとなると、この往復が１回ではすまず、各地の地上の中継所と、通信／放送衛星を経由してきますので、何回分も往復の時間がかかります。

　そして、両方に共通しているのは、映像、音声信号を、ディジタル化して送り出し、それをうけとって、映像や音声信号に直すために、膨大な計算が必要となり、その計算のために、時間がかかる、ということです。この計算は、現在の放送の技術では、数秒かかりますので、それが、衛星放送はもちろん、インターネットの場合にも信号の遅れとなります。地デジもこのような信号の変換計算の時間がかかるので、従来の地上派アナログ放送より数秒遅れた映像となっています。

　このへんのところは、それぞれ、なにが、どのような原因で遅れを生じさせているかをちゃんと理解しないとなりません。

お礼

ご回答ありがとうございました。
詳細な遅れの説明でよく分かりました。
インターネットの遅れもBSの遅れもかなり基本技術的なというか下世話な問題なのですね。
電子の移動がそれほど遅いとは知りませんでした。
移動のイメージがよく分かってきました。
電界そのものの動きと電子の動きとの齟齬のようなものはこうしてみますと末端でも問題にはならないのですね。
あまりに周波数が高いと、電子の動きは０になってしまいそうです。
別に信号伝達には支障はないのですね。

回答No.1

tetsumyi

電界が光の速さで導体内できて、それにつられて電子が動くと言うことで良いです。
電子がつぎつぎにドミノ倒しのように動き始めると言う表現は間違いです。
導体の中の自由電子は非常に軽く、ほんの少しの電界でさらさらと動くと考えてください。
それで極めて弱い電波でもアンテナに電流が流れて電波受信ができます。
インターネットのように大変な高周波では電子の動の遅れが問題となるので長距離では全て光ケーブルになっています。
光は電子の動きを伴わない高周波の電磁波（電界）そのものです。

お礼

早速のご回答ありがとうございます。
＞電界が光の速さで導体内できて、それにつられて電子が動くと言うことで良いです。

これでよかったのですね。
一安心しました。

＞電子がつぎつぎにドミノ倒しのように動き始めると言う表現は間違いです。
＞導体の中の自由電子は非常に軽く、ほんの少しの電界でさらさらと動くと考えてください。

数量の多少の問題ではなく、時間のずれの問題はどうなのかとか思っったわけです。
＞インターネットのように大変な高周波では電子の動の遅れが問題となるので長距離では全て光ケーブルになっています。

０．何秒で全世界をめぐっての数万件の検索が可能になるというのが、たとえ光速でもありえないように思うし、わずかな電界と電子との連動のずれが問題にならないだろうかと---。

光ケーブルでも地球を一周するには０．何秒かはかかりましょうね。
さらさらと電子が動いても、やっぱりなんらかの遅れはあるのではとか思ったりします。
うまくいっているのが不思議ですね。