導線の周囲にある電界

質問

「電流の流れている導線の周囲には電界は存在しない」現象の理由として、「導線中にある正負の電荷量は等しいため打ち消しあうから」と説明されましたが、電流が流れている時、導線の正負の電荷量が等しいということが理解できません。

電界による電荷の移動が電流だと考えると、正負の電荷量が同じでは、導線に電流は流れないのでは？と思っています。
当然、この電流というのは、導線に電池等を接続した時に流れる定常電流のことを意味しています。
どのように解釈したら良いか、何方かのご教示をお願いします。

回答No.3

sakura_214 · ベストアンサー

質問を読んで私が頭の中で想像したのは，導線に流れる定常電流と，電磁気学を学ぶと一番最初によく出てくる静止した点電荷（荷電粒子）が作る電場との対比です．定常電流は電荷の移動なんだから点電荷が作るような電場があってもいいはずであると・・・

たしかに同じ符号の電荷が単独（点電荷として）であれ集団であれ存在すれば，静止してようが（電流として）運動してようが電場は生じます．しかしながら，電流が流れている導線中に存在する電荷は，定常電流として現れている移動した電荷「だけ」ではありません．
すでに学んでいるかと思いますが，導線を流れる電流は微視的な世界で見ると，導線をつくる金属原子の「自由電子」つまり負の電荷の流れです．普段自由電子は１つの原子に捕われず原子間を好き勝手に運動していますが，電圧（電位差）をかけることによって，それが（平均的に）同一方向に運動し，巨視的には定常電流として見えます．
一方で忘れてはいけないのは，導線そのものを作っている金属原子の存在です．金属原子のほうは自由電子のように勝手に動くことはできませんが，自由電子を含めた金属原子そのものは電気的に中性なので，自由電子を除いた金属原子はその分だけ正に帯電しています．
結果として電圧をかけると，固定された導線（＝正に帯電している金属原子）の中に定常に流れる電流（＝電気的に同量の負に帯電している自由電子）があるわけですが，両者は運動してるしていないの違いはあれ，巨視的にはどの時間の導線のどの一部分を見ても，電気的には両者が打ち消しあって中性になっています．つまり「導線中にある正負の電荷量は等しいため打ち消しあうから」→「電流の流れている導線の周囲には電界は存在しない」ということになります．

お礼

返事が遅くなり大変失礼しました。
ご回答、ありがとうございました。
丁寧な説明を頂きましたが、その中で解らないところがありますので重ねて教えてください。

>巨視的にはどの時間の導線のどの一部分を見ても，電気的には両者が打ち消しあって中性になっています．

ということは、この場合の導線は、どの部分を見ても電位が０Ｖであると考えるのでしょうか？
それでは、数Ｖの電位をもっている導線の場合は？？
よろしくお願いします。

回答No.8

Masye

追加です。　質問と回答がマッチしていなかった感じなので、

電界と磁界というのがありまして、物理学の世界では電場と磁場と言いますが、
電界というのは、そこの場所に電荷（電子または、電気）があるとできるものです。　＋の電荷がそこにあると、そのまわりに、電場ができます。　その電場のおかげで、－の電荷はひきつけられます。　逆に＋の電荷は反発します。　＋の電荷と－の電荷の作る電場はちょうど正反対なため、ちょうど打ち消します。
それとは対象に、電流（動く電荷）が存在すると、そのまわりに磁場というものができます。　磁石が鉄をひきつけるのもその力で、それは、磁石内の電子が動いていて（スピンしていて）磁場を発生させているのです。
今回は電流のによる、電場ですが、その場所にある電荷量は、＋と－が同じ数だけあるので、打ち消しあい、電流があるので、磁場はできます。
電荷が打ち消しあうことについて、
首都高を想像してください。　左まわりの車が＋　右回りが－の電荷と考えてください。　首都高のどこを見ても車の右回りの車の数と左回りの車の数はほとんど変わらないですよね。　車の進む方向は逆でも、そこの場所にある車（電荷）の量はかわらない。　そのため、電場は打ち消しあうのです。
これでもわからないなら、、また補足よろしくです。

補足

ありがとうございます。
ご説明の中で、’その場所にある電荷量は、＋と－が同じ数だけあるので、打ち消しあい、’とあります。
ということは、その場所の電位は「０Ｖ」と考えれば良いのでしょうか？
よろしくお願いします。

回答No.7

Masye

水の流れているホースを想像してみてください。
そのホースの中を見て、水の量に変化は見られるでしょうか？　常に一定の量から増えたり減ったりしてないでしょ？　確かに水は流れているのに、水の量は変わってないはず。
電流も同じです。　導線の一部を見てみてください。　電荷の量は変わっていない。　けれど電流は流れているのです。
まさに、水の流れているホースと同じでしょう？

もともと＋と－が同じ量だけあるのだから、常に打ち消しあっているというわけです。

お礼

ご回答、ありがとうございました。
ご意見を参考に、さらに考えてみたいと思います。

回答No.6

mmky

追伸まで
条件（導線の抵抗は０Ω等）での思考実験のようなものと捉えるのでしょうか？
もし、静電界というものが電位差と距離との関数であるが正しいとするとご指摘のように導線の抵抗は０と考えるしか納得する方法はありませんね。
ちなみに、No.886745　にもコメントさせていただきましたが、物理の基本は電荷＝電流素子、つまり電子ですね。電圧素子というのは無いのですね。例えば、電池の電圧というのは電子の電荷換算の障壁量（電圧表示）のことですね。だから電圧という概念は電流が流れて初めて意味をなすと考えれば、同じように電流が流れれば磁界が発生し、磁界があれば電界もあってしかるべきと考えられますね。銅線に電流を流せば銅線に電位が発生します。同時に銅線の周りに磁場が出来ます。でも電場が無いというのは何か変ですね。「電流の流れている導線の周囲には電界は存在しない」という常識は常識としても、常識を再度楽しく考えて見ることは良いことですね

お礼

度々のアドバイスありがとうございました。
疑問点がすべてクリアになったわけではありませんが、色々なご意見を聞き、多少理解が深まったのではないかと感じています。感謝！

回答No.5

Rossana

そんなあなたは「なっとくする電磁気学」
http://bookweb.kinokuniya.co.jp/htm/4061545019.html
というのを読んでみたらどうでしょうか？
例えば、ストローにゼリーを詰めて片方から吹いてみるとゼリーの中の分子数は変化しないけど（ミクロに見ればどっかに付着して減少してるでしょうが）、移動しますよね。
この動きを生み出すのは息ですね。
電子：ゼリー（非圧縮性流体）
電池：息
とでも例えれるかな。

お礼

返事が遅くなり大変失礼しました。
読んでみたいと思います。
ありがとうございました。

回答No.4

mmky

参考程度に余計なコメントまで
ある長さの銅線に電流が流れている場合電流の流れの向きに銅線の抵抗によって単位長さΔlあたりに電位差ΔVが生じます。
だから長さ方向に静電界ΔE＝ΔV/Δlが存在しないと変ですね。
また銅線の電位をVとすると例えば対地間にE=V/ｒの静電界が存在するはずですね。

お礼

返事が遅くなり大変失礼しました。
ご回答、ありがとうございました。

そうですね、導線がある電位Ｖを持つ限り、何かしらの静電界は存在するはずと考えると矛盾が生じます。
ということは、「電流の流れている導線の周囲には電界は存在しない」現象とは、ある条件（導線の抵抗は０Ω等）での思考実験のようなものと捉えるのでしょうか？
宜しければ、更なるアドバイスをお願いします。

回答No.2

sanori

まず、電池等接続時の定常電流ですから、直流ですよね。

さて、
正負の電荷量が同じなのは、当然の事なのですが、ご質問の趣旨は、それが頭の中でうまくイメージできないということですね？

もしも、電子が導線の中から、真空ポンプで引き抜いたがごとく、抜き取られたとしたら、プラスに帯電しますね。
逆に、電子を強制的に注入すれば、マイナスに帯電しますね。
帯電＝電荷を持つ　ですから、それであれば電界は発生します。

しかし、電流を流すというのは、そういうことなのでしょうか？
いえ、ちがいます。
導線の左端（プラス側）からこぼれた電子の個数は、導線の右側（マイナス側）から、同じ個数だけ供給されます。
そして、供給されると、内部の電子もちょっとずつ左側にずれます。
（列に並んでる先頭の人が最後尾に走っていった後、全員１歩前に出れば、もとと同じ体制に戻るのと同じ）
ですから、導線は帯電せず、常に電気的に中性です。

もう少し拡張したことを言えば、たとえ、初期状態で帯電していても、電流を流したときに、初期と同じだけの帯電状態が続きます。

長くなりましたが、
「端から抜けた分が、即、逆の端から補充されるので」です。

お礼

返事が遅くなり大変失礼しました。
ご回答、ありがとうございました。
プラス側からこぼれた電子が即マイナス側から供給される為、全体として中性だとの説明は、よく解りました。
しかし、ここで重ねて教えてください。
こぼれた電子が供給されるまでの間に電子が足りない状態が存在すると思いますが、この瞬間をどのように考えれば良いのでしょうか？
よろしくお願いします。

回答No.1

tamatokuro

「電流の流れている導線」とは、どんな導線ですか？　単線・複線
電流は、直流・交流？

補足

返事が遅くなり大変失礼しました。
話を簡単にするために、単線としてください。
また、電流としては、直流を考えています。
よろしくお願いします。