電池で電気が流れるイメージ

質問

質問させて頂きます。

１．電池で電気が流れるイメージを書いてみたのですが、私の理解は正しいでしょうか？

２．また、上記が正しい場合、電池から回路へ供給される単位時間あたりの自由電子の数が増えることで
回路の電圧は高くなりますか？

３．その他、電圧が上がる条件や方法などあれば教えて頂ければと思います。

よろしくお願い致します。

回答No.10

noname#215107 · ベストアンサー

＞“電池のマイナス極が単位時間当たりに供給できる自由電子の最大数”

ますます意味が分からなくなりました。
負荷抵抗が決まらない限り、単位時間当たりに供給できる電子の数は決まらないからです。
短絡させれば、電圧にかかわらずいくらでも増やせますよ。（無限ではありませんが）

お礼

お付き合いどうもありがとうございました
結局、ほぼ別の所で自己解決に至ってしまいましたが
最後に解説した起電力と電子の供給について
↓
質問：TXV12003さん電池の起電力について理解して頂けましたか？
http://oshiete.goo.ne.jp/qa/8696749.html
に回答よろしくお願いします

補足

＊＊＊＊＊＊余所で確認も取りました、回答としての補足です

＞短絡させれば、電圧にかかわらずいくらでも増やせますよ。（無限ではありませんが）

意味については↑の“無限ではありませんが”これが答えです。

そもそも電位差（電圧）って何という話です。
マイナス側と、プラス側の化学反応でより大きな電位差を発生させられるのが電圧の高い電池です。

＞電圧にかかわらずいくらでも増やせますよ。（無限ではありませんが）

使い切り直前で、電圧が下がった電池でいくらでも供給できる電子の数は増やすことができますか？されませんよね、無いものは無いんです。
電池内の化学変化が終了してしまえば電子を供給することは出来ません。

なぜ電圧が高い電池と、低い電池があるのか？
それは－側と＋側の電位差の違いです。

電池の電圧は

＋側…より電子を引きつけやすい素材を用意する
－側…より電子が離れやすい素材を用意する

ごく単純な例ですが、必然的に両端の電位差(電圧・起電力)は大きくなります。
端的に言えば、－側の素材から簡単に電子を引き出せるほど、電圧が高くなります。

※
　・途中で“供給”を“生成”と読み替えてと書きましたが、どうやら生成はニュアンス的に間違いのようです。

　・ますます意味を解らなくさせてしまったのは
　　混乱を避けるために私が“電位差”、“電圧”と単純に表現をし“起電力”という単語を用いなかったせいかもしれません
　　TXV12003さんは、電池の内部抵抗を気にされていましたが、あくまで内部抵抗の問題であって
　　“マイナス側により簡単に電子が離る素材を用意する”ことは電池の電圧を上げることに直結します。

回答No.9

noname#215107

＞ただ、失礼ですが電池によって電位差が生じる仕組みについて本当に理解されてますか？

専門家ではないので、完全には理解していないと思います。
特に電池の「化学的」な仕組みについては特に理解が薄いかも知れません。
電界の導体内の伝播と、自由電子の移動に関して、私の認識も質問者さんと大して変わりません。

補足すると、電界は、光速より少し遅い速度で金属中を伝わります。（この速度の比は空中線の短縮率に相当します）
金属内の自由電子の移動速度はカタツムリ程度ですが、電源の＋端子と－端子それぞれに近いほう（2箇所）から移動が開始します。最後に移動開始するのは、電池からもっとも導線上の距離が離れた部分です。
電池を回路から切り離しても、電池に近い部分から電子の移動が停止し始めます。最後に移動停止するのはもっとも遠い部分です。
つまり、導体内の電子は、同時に移動開始、移動停止するのではないと言うことです。
高周波のAC電圧を印加すると、導体の右端と左端で電位が異なるという現象が発生します。

補足

難儀ですね。

＞電池を回路から切り離しても、電池に近い部分から電子の移動が停止し始めます。最後に移動停止するのはもっとも遠い部分です。
＞つまり、導体内の電子は、同時に移動開始、移動停止するのではないと言うことです。

参考になりました
http://oshiete.goo.ne.jp/qa/6854683.html?&status=true&errcode=&msg=&aid=19220043　での解説や
よくある、直列回路に直列で３つの電球が接続されていてどれが先につくかという問の答えが「３つ同時につく（または消える）」というのは
厳密には違うということなんですかね

ここからはただの推測ですが
＋極－極終端にある正電荷と負電荷が、一番先にクーロン力を与えているのはすぐ近くの電荷で
回路の逆側（遠い箇所）に向けて力を伝えていることを考えれば
電場が消失した瞬間に、最初にクーロン力を失った電池に近い部分の電子の移動から順に動きが止まるのか…などと想像してみたりします
直前まで正電荷が負電荷を引き寄せていたことを思えば辻褄が合わないかもしれませんが…

回答No.8

noname#215107

>“電池から回路へ供給される単位時間あたりの自由電子の数が増えること”は

>電池そのものが持つ回路に対しての供給能力という意味で書いたつもりだったのですが言葉足らずというか、他の表現にすべきでした。

だとすると「電池から回路へ供給される」と「単位時間あたりの」という意味が分かりません。

＞電流（単位時間あたりの電荷の移動）”とは書きませんでした
だとすると「単位時間あたり」の「何」なのでしょうか　
単位時間当たりという言葉には、例えば、「単位時間に進む距離」、「単位時間に蛇口から出る水の量」、などの言葉が伴います。

それは置いておいて、
＞電池そのものが持つ回路に対しての供給能力

「供給能力」の意味も良く分かりませんが、
「流すことが可能な電流の大きさ」という意味なら、電池単体では語れません。
これも内部抵抗と負荷によって変わります。
5Vの電池と、１０Vの電池があったとして、もし５Vの電池の内部抵抗が十分に低く、負荷の抵抗値が低ければ、条件によっては５V電池のほうが１０V電池より多く電流を流せます。

補足

“電池のマイナス極が単位時間当たりに供給できる自由電子の最大数”

少し加えてみました。どうでしょうか。

＞「供給能力」の意味も良く分かりませんが

生成と読み替えて頂いても良いかと存じます。

ただ、失礼ですが電池によって電位差が生じる仕組みについて本当に理解されてますか？

内部抵抗をいじる云々をしだすとキリが無いので、内部抵抗の値が同じという条件で↓

・プラス極側の正電荷の引力
・マイナス極側の負電荷の供給する能力

この要素によって、プラス極、マイナス極で正電荷、負電荷の偏りで電位差が生じる。

正電荷が電場を形成し、クーロン力によってマイナス極で増えた分の電子を引きつける。

導線内で電子の数は一定であり
マイナス極では余剰な自由電子(負電荷)を生成させることで、プラス極側が負電荷を引きつける

つまり、電池のマイナス極側で、単位時間あたりの余剰な自由電子を生成する能力が高ければ高いほど
プラス極側との電位差は大きくなり、電圧は高くなる。(クーロンの法則にある引力斥力が“電荷の積に比例”することより)

と認識しているのですが間違いですか？

回答No.7

noname#215107

＞“現在の電池よりも負電荷の供給能力が高い電池であれば電位差も大きくなりますか？”という質問です。

これは当初のご質問の2番と質問内容が異なりますよね？
2の質問では「供給能力」ではなく「電池から回路へ供給される単位時間あたりの自由電子の数が増えることで
回路の電圧は高くなりますか？」という内容でした。

あくまでも質問の2に沿って回答しているつもりです。

＞マイナス側の時間当たりの自由電子の供給量を増やした場合にも電位差は大きくなると思います。

自由電子の供給量を増やすということは、回路の負荷抵抗の値を下げるということです。
これも質問の２に沿って回答しています。

＞マイナス極側から時間当たりに供給できる自由電子が増えた場合には電圧が上がらないという回答は矛盾していませんか？

矛盾していません。
電池に負荷を接続すると、「電流が流れはじめる」=「単位時間あたりの自由電子の供給が増える」=「電池の内部抵抗によって電圧が下がる」 ということです。

電池の両極をオープンにした場合は、「電流が流れない」=「自由電子の供給がゼロ」=「電圧は下がらない」 ということになります。

＞TXV12003さん自身も、No2の回答で
＞
＞＞３　電圧を上げるには、電池を直列に増やす。

単純に3の質問に沿っただけですので、これも矛盾しません。

補足

先ほどの補足を書き込んだ後に皆さんとの齟齬に気がつきました

元の質問は下記です。

＞２．また、上記が正しい場合、電池から回路へ供給される単位時間あたりの自由電子の数が増えることで
回路の電圧は高くなりますか？

“電流（単位時間あたりの電荷の移動）”とは書きませんでした

“電池から回路へ供給される単位時間あたりの自由電子の数が増えること”は

電池そのものが持つ回路に対しての供給能力という意味で書いたつもりだったのですが言葉足らずというか、他の表現にすべきでした。

No.2、No.3の補足で

電池の両極で電位差が生じる原理、クーロンの法則にある引力斥力が“電荷の積に比例”するという性質を書いた後に、No.6の答えが返ってきた際に
私も意図が伝わっていないことに気がつくべきでした、申し訳ありません。

～～～～～
自己解決した部分について
投稿者より回答をご覧になった方への補足

質問１．図について
（２）の電場…正電荷より回路を右回りで発生
（３）～（６）の電子の移動…導線内にある電子の総数は一定であり、（３）～（６）にあるような導線内で正電荷は存在せずに、電子全てが同時に動く。

※図は負電荷キャリアであるが、正電荷キャリアも存在する。

電気が流れるイメージについて下記で的確に説明されています。
http://oshiete.goo.ne.jp/qa/6854683.html?&status=true&errcode=&msg=&aid=19220043

回答No.6

noname#215107

＞例えば、この“1オームの内部抵抗を持つ５Vの電池”があるとして
＞その電池よりも、マイナス極側から単位時間当たりより多くの自由電子を供給できる電池であれば
＞いずれにせよ、プラス極、マイナス極の電位差は大きくなり、電圧も高くなるのではないでしょうか？

前回のシミュレータによる実験結果だけでは不足でしょうか。

オームの法則や、分圧回路というのはご存知でしょうか。
内部抵抗1オームの5V電池に100オームの負荷をつないだ場合、電池の両極間の電圧は、1Ωと100Ωの抵抗で、5Vを分圧した値となります。流れる電流は約49.5mAです。

電池の両端の電圧は、(5V×100Ω)/(100Ω+1Ω)≒4.95Vとなり、電流が流れていない時(電子が移動していない時)にくらべて約0.01V低下することになります。

補足

はい、計算が成り立つことも解ります

その上で↓

＞例えば、この“1オームの内部抵抗を持つ５Vの電池”があるとして
＞その電池よりも、マイナス極側から単位時間当たりより多くの自由電子を供給できる電池であれば
＞いずれにせよ、プラス極、マイナス極の電位差は大きくなり、電圧も高くなるのではないでしょうか？
＞もし高くならなければ、クーロンの法則にある引力斥力が“電荷の積に比例”するという性質に矛盾が生じませんか？

と質問させて頂きました、かみ砕けば
“現在の電池よりも負電荷の供給能力が高い電池であれば電位差も大きくなりますか？”という質問です。
もし、無関係だとすればクーロンの法則に矛盾が生じますし。

TXV12003さん自身も、No2の回答で

＞３　電圧を上げるには、電池を直列に増やす。

電池を直列に増やす、つまりマイナス極、プラス極側の正電荷と負電荷の偏りを大きくして電圧を上げると認識があるのならば
マイナス側の時間当たりの自由電子の供給量を増やした場合にも電位差は大きくなると思います。

電池を直列に２つ繋げれば電圧が高くなると理解されているのに
マイナス極側から時間当たりに供給できる自由電子が増えた場合には電圧が上がらないという回答は矛盾していませんか？

回答No.5

ORUKA1951

電子と電荷を混同してはなりません。!!・・電流＝電子という大きな誤解をしたら駄目です。

電子は一切考えないで電流を考えます。そうしないと電池が理解できなくなる。

　電池とは、電荷を一方から一方にくみ上げる一種のポンプで、電荷の担い手は電子であることもイオンであることも、あるいは多の荷電粒子であることもあります。電子はあくまで担い手であって本質ではない。

　その誤解をしているから
＞電池から回路へ供給される単位時間あたりの自由電子の数が増えることで回路の電圧は高くなりますか？
　というとんでもない質問になる。
　回路に電子が供給される必要はありません。まったく供給していないときが最も電圧は高い。
├─┤1.5V　　電荷を組み上げるポンプがタンクに接続されていて
│-_└×出　　水（電荷）を常に持ち上げようとしている。
│-_┌×口　　出口が閉じられているときは、電圧(水圧)が最も高い
│-_│　　　　ポンプ(電池)にはどこまだ持ち上げられるか(起電力)
│-_│　　　　とどれだけ運べるか(流量)という制約がある。
│-_└　　　　　もし最大流量を越えて流れ出してしまうと、電圧は
┴──ポンプ　下がる。

　閉じられている出口を開くと、そのバルブの両端の電圧差がなくなる＝すぐとなりの電圧があがる。圧力上昇（電位の変化）は、圧縮波としてパイプ(回路)内を他端に向かって進行する。電位差がある電場に置かれた荷電粒子は移動を始める。

　荷電粒子は電子だろうがイオンだろうが、P半導体のホールであろうがその移動速度は遅々としたものです。1mmの電線に1A流したってナメクジ程度の速さでしか移動しない。

　電圧は付随的なもので、あくまで電流が主体ですが、電流とは「単位断面を時間あたりに通過する荷電粒子の数」です。

　電子を一旦忘れて、考えて見ましょう。邪魔になるだけです。一切考える必要はありません。

補足

詳しい回答ありがとうございます。

一旦電子を忘れて初心に返ることができました。
実のところ、皆さんが書いてくれたような説明は何度も見て
ずっとそういうものだと納得は出来ていました。

ただ、最近になってそもそも電気って何？という疑問に立ち返って

正電荷、負電荷の関係とクーロン力の話に行き着いたときに

・負電荷同士、正電荷同士での斥力の発生
・正電荷、負電荷での引力の発生

を頭に置いて、http://i.imgur.com/phsr8Aq.jpg　のようなありがちな解説にある
マイナス極側に用意した自由電子(負電荷)、プラス側の正電荷、この両極の偏りによる電位差で自由電子を引きつける仕組みを見たときに

マイナス極に自由電子（負電荷）を１つ用意した際、導線内の負電荷が１つ増えることで斥力が発生し、かつプラス極側とは電位差を大きくする要因であるのに

“負電荷である自由電子の増加は電圧に影響を及ぼさない”と言われると疑問符が浮かんでしまいます。

こう考えていると、何かの知識が足りないがために今まで正しいと思っていたことが解らなくなってしまっているのです。

回答No.4

foomufoomu

あなたは、電圧と電流の違いを理解しないといけません。
よく、電気は、水の流れに例えられるので、ここでも水を使って説明します。

ここに噴水があって、かなり離れたところまでパイプでつながっていて、その先は送水バルブになっています。
はじめはパイプの中は空なので、送水バルブを開いても時間がたたないと噴水は出ません。これが水(電子)の流れる速さです。
水(電子)の流れる速さは、噴水から出る水の量(電流)、パイプ(電線)の太さで決まります。水源の水圧(電圧)は、水(電流)の流れる速さを決める要素にはなりません。（間接的に影響しますが）

ここで一度バルブを閉めます。パイプの中には水が詰まったままになっています。ここでバルブを開くと、ほぼ瞬時に噴水から水が出ます。この速さは水中を音が伝わる速さと同じで約1000m/秒です。これが電気が伝わる速さになります。水(電子)の流れる量は、最初のパイプが空のときと同じです。

で、質問の答えですが、
１．図の意味が分かりません。
２．自由電子の数は電流に比例します。電圧とは無関係です。（ただし、同じ抵抗だと電流を増やすには電圧を上げる必要があるので、まったく無関係でもないですが）
３．電圧は電池の起電力で決まります。

回答No.3

noname#215107

＞であれば、電池のマイナス極から供給される電子(負電荷)の量が多ければ
＞正電荷の濃いプラス極側と、マイナス極側の電位差は大きくなるのではないだろうか？
電池の両極間の電位差が大きければ、電圧が高いといえます。

電池の両端の電圧がもっとも高いのは、負荷をつながず、電流が全く流れない時です。

電池は必ず内部抵抗を持っています。
仮に1オームの内部抵抗を持つ5Vの電池があったとして、電池に何も接続していない場合の電池両極間の電圧は5Vです。電池からの電子の供給はありません。

しかし、これに100オームの負荷をつないだ場合、電池から電子が供給されます。この時、電池両極間の電圧は4.95Vにさがります。

添付画像は、上記と同じ条件で簡易的なシミュレーションをしてみました。

左はスイッチを入れて負荷をつないだ状態です。
左下の電圧のグラフを見ると、左のスイッチを切った回路よりも約1%下がっているのが分かると思います。

補足

画像まで作成して頂き感謝します。

例えば、この“1オームの内部抵抗を持つ５Vの電池”があるとして
その電池よりも、マイナス極側から単位時間当たりより多くの自由電子を供給できる電池であれば
いずれにせよ、プラス極、マイナス極の電位差は大きくなり、電圧も高くなるのではないでしょうか？

もし高くならなければ、クーロンの法則にある引力斥力が“電荷の積に比例”するという性質に矛盾が生じませんか？

回答No.2

noname#215107

1 良く分かりませんでした

２　電子が動こうが動くまいが、電池の両端の電位差が大きいほど電圧が高くなります。
　　「電池から供給される電子が多い」＝「電流が多く流れている」＝「電池の内部抵抗での電圧降下が大きい」
という意味ですから、　電池両端の電圧は「低く」なります

３　電圧を上げるには、電池を直列に増やす。　回路を接続しない。　などです。

補足

回答ありがとうございます。

２について幾つか疑問なのですが

電池の仕組みとして、正電荷の濃い箇所(+)と、負電荷の濃い箇所(-)を用意して
その偏りによって電位差、静電エネルギーが生じて電子が移動する現象を利用するものと存じます。

であれば、電池のマイナス極から供給される電子(負電荷)の量が多ければ
正電荷の濃いプラス極側と、マイナス極側の電位差は大きくなるのではないだろうか？
また、負電荷の量が増えれば、負電荷同士の斥力も強まるものと考えました。

このようなところから、考えに至ったのですが
間違いなどご指摘頂ければ幸いです。

回答No.1

maccha_neko

図の意味がさっぱりわかりませんが（笑）

要するに電池によって電界がかけられることで、金属の中の自由電子が電界に引きずられ（押され）て移動します。これが電流です。

電気抵抗がゼロなら、とにかくガンガン流れるのですが、実際には「抵抗」があって、すんなり移動させてもらえないので、そうは簡単にはいきません。電子が速く動けば動くほど、あっちとぶつかり、こっちとぶつかり・・・で、大きな抵抗を受けますし、その都度エネルギーを失うことになります。
結局、電界から受け取る力と、抵抗による影響がバランスしたところで安定することになります。

大きな電界をかければその分大きな力を受け取りますが、その分抵抗が増えるので、これまたどこかでバランスします。

つまり、「電子の流れが増えるから電圧が上がる」のではなくて、「電圧が上がるので、電子の流れが増える」わけです。

ただ、「抵抗に電流が多く流れるほど両端の電圧（電圧降下）は大きい」というのも、”数式上”では正しい表現なので、回路の計算などでは便宜的にそうした考え方もしているというだけで、あくまでも「電子は自ら移動しようとしているのではなく、電界に引きずられて動いているだけ」です。

補足

回答ありがとうございます。

ご説明は、プラス側の正電荷によって負電荷が引きつけられるケースかと思うのですが
例えば下記画像の例など、自由電子が１つ多い状態であれば負電荷同志で斥力が発生すると考えていたのですが、それは何の影響を及ぼす事は無いということでしょうか？
http://i.imgur.com/phsr8Aq.jpg