金属の中の電子はどこから来るのか

質問

金属の中にある自由電子は電流を流した後どこかから供給されるのでしょうか。

回答No.3

SPROCKETER · ベストアンサー

大学に行けば勉強出来ますが、金属結合では金属原子の最外殻電子は遊離しやすい性質を持っていて、言わば、電子の海の中に金属イオンが浮かんでいる状態にあります。この電子の海を自由電子と呼んでいるのです。

　電流が流れる時には、電子の海の中を自由電子が動いて行く連鎖反応が起こっていて、一つの自由電子が動くと、自由電子の運動エネルギーが伝達されて、遠くの自由電子が弾き出されるような現象が起こっていると考えれば良いです。

　電子が光速度に近い速度で動いているわけではなく、電子移動度（実際に電子が動いている速度）は非常に遅いものですが、電子の移動速度ではなく、電子のエネルギー伝搬速度が光速度に近いので、スイッチを入れると一瞬で電気が点くように感じるわけです。

　自由電子は金属原子の最外殻電子（原子核から最も遠い距離にある電子）と考えて良いですが、電子が電流として流れているのではなくて、電子のエネルギー伝搬を電流と呼んでいるだけです。電子そのものはほとんど動いていないと考えた方が良いでしょう。

　要するに、金属原子が動かなくても音が音速で伝搬するのと同じで、電流も金属原子や自由電子は動いていなくて、光速度に近い速度のエネルギー伝搬が起こって電流が流れていると考えられるわけです。

　だから、金属中の自由電子が電流を流した後はどこから供給されるとかいう質問は愚問でしかありません。

お礼

なるほど、愚かでした。改めて勉強いたします。

回答No.7

五十嵐 正（@oh-Tokyo）

＃６です。　何もかも不可解とのことなので補足説明します。　　

＜どこかから供給されるのでしょうか＞　　の答えは、
『送り出した電線とは別側の、戻りの電線から供給されます』です。

自由電子を送り出すには、[力 (エネルギー) ] が要ります。その力は、
磁石力・化学反応・静電気の３種類あると、回答 #６で書きました。
戻ってくる方の (供給される) 電子は、力は要りません。自然体です。

お礼

本当に難しいものですね。安易に勉強したいと思いますなどとは言えないほど難しいのではと思っております。

回答No.6

五十嵐 正（@oh-Tokyo）

{＃４です]
電子自身の [保有エネルギー] や [移動するエネルギー] は計算式で表すのでしょうが、
難かしいことをここで易しく説明する力はありません。
関連事項の基本原理だけを述べておきます。

電子が移動するエネルギーの前に、電気の全体像を説明しておきます。
身近の電気は、ちょっと考えただけで次の系統が存在します。
　(1) 電磁力(磁石)で発電、　(2) 化学反応で発電、　(3) 静電気による帯電
　ほかのイオン化電子など特殊な電気・電子分野はこの際省きます。

(1) は発電機の電磁石による [電子の移動] で、電子の出発点は発電機です。

(2) は自動車バッテリーや燃料電池・太陽電池・乾電池などから出る [電子の流れ] です。
　　生物電池の例を紹介しておきます。
　『微生物燃料電池』　http://home.hiroshima-u.ac.jp/tkakizo/Kakizono's%20Site/149B592E-F707-4713-B59E-EB754A216669.html

(3) は雷ほか物体摩擦で電子が移動し、[電位の帯電] が起きる現象です。
　物理的な力で電子が移動するのではなく、摩擦で電子が相手の物質へ侵入・移動し、相互
　の物体間に電位差が生じ、その電位 (計れば電圧) が留ったままになる[帯電]現象です。
　物体が絶縁物だと電子がどこへも流れ出ないので帯電したままとなる状態です。
　この電位を高い周波数で変動させると、これが電磁波 (実は電波) であり、現象は電位の波動です。

　電子の振舞い全般が理解できる参考記事を紹介します。
　『意外に知らない静電気』　http://pecodrive.net/?p=2509

電子は物質ですが、電波は物質ではなく電位の波動現象で、電界(工学系)とか電場(理科系)
と呼びます。　一極を金属棒とし、他極は大地としたのが電位を発・受するアンテナです。
周波数を高くすると、ほぼ絶縁体の空気は電位変化に応じきれず、電位が空中へ飛散します。これが電波の送信・受信として利用されているわけです。

ついでに：ー
移動した電子が導体の中を移動する場合、全ての電子が一斉に押し出るのではありません。そこの導電性材質によっては効率が悪く、相手の導電隊へ一部分の電子しか移動しない作用になります。　これが電気抵抗と言う性質です。銀が最も抵抗が低いのですが、現実には銅も抵抗値が低い方なので実用されているわけです。

お礼

本当に何も分からなくて途方にくれています。なまじ疑問を持たず出来ることだけをやっていればよいのでしょうが、ご教示を基にすこしでも勉強させていただきます。

回答No.5

chiha2525_

実は、電気の正体は電磁波であり、電子ではないのです。電子は電磁波を発生させるのに必要なだけなのです。
なので、電気＝電子と思っていると、よく分からないことになってしまいます。

これは大学でもちゃんと教えていないので、大学生や院生でも間違えている人が多いです。（実際には、間違えていても害がないのですが）

回答No.4

五十嵐 正（@oh-Tokyo）

金属や導電性のプラスチック類でも、自由電子を持つ物質は、ほかの
導電物質の自由電子が流れ込んで来て、流れ出た物質内へ収まります。

導電性の物質内では、電子が自由に移動できる状態になっていて、電子は
移動の作用を受けると、順繰り・逐次に移動していきます。
電子には個性がないので、自分の物質内・外部の導電物質でも自由電子が
あるなら、相手の材質を選ばずその場の作用条件に従って移動するのです。

お礼

なかなか具象化しにくいのですが、勉強してみます。

補足

電子が保有するエネルギーと移動の関係もよくわからないのです。

回答No.2

catpow

電気のエネルギーは、電磁方程式からすれば、電線の中ではなく、電線と電線の間の空間を流れていくと理解されています。
また、電気エネルギーは光の速度に近いスピードで伝わりますが、電子が電線を流れるスピードは毎秒数センチか数十センチだったと思います。
地震による津波のスピードが数十キロとか、百数十キロといわれていますが、海水がそのスピードで流れているわけではないのと同じですね。

そして、足りない電子は、電源から供給されていると思えます。

お礼

電気を通す前と後で金属に含まれている電子の数には変わりがないのですね。

回答No.1

tadys

発電機の場合は電線の中にある電子が磁石の力によって移動させられることで電流が発生します。
移動させられた電子は電線をぐるっと回って戻ってきます。

電池の場合は陰極が電子を供給し、陰極は陽イオンに変化します。
電子が陽極に到達すると陰イオンが発生します。
陽イオンや陰イオンが発生できなくなると電池の寿命です。
http://www.geocities.jp/chemacid/chembase/physical/cell.htm

お礼

同じ電子がぐるっと回ってくるのですか。電池のほうもどうもよくわかりませんので改めて勉強してみます。