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電池と電流について ―先生の授業は本当か？
・回路は、単純な設定として豆電球と電池を導線でつないだ単回路とします。 前から疑問に思っていたことなのですが・・・ (1)回路につながない電池は、正極と負極の間に電位差は生じているのでしょうか？あるいは、回路につながないと電位差は生じないのでしょうか？ (2)回路につなぐと電子が移動する（電流が流れる）その力の源は何でしょうか？電池から周囲の空間に電場が出ていて、F=qEなる力を受けているのでしょうか？あるいは、何か別の力に突き動かされているのでしょうか？ (3)以上の点をふまえて、電池を入れて、回路をつないだ瞬間から、「どのような流れで豆電球がつくのか」について、微小時間のプロセスをふまえて説明するとどのようになりますか？ 学校の物理の先生が、「スイッチを入れたら光の速さで電界が広がる」と言ってた記憶があります。でも、その先生、難しい理論を言う上に説明がかなり下手で、一人も授業聞いてなかったんで、先生も意地張ってろくに授業しなくなっちゃってて、授業も荒れちゃって・・・。そんなわけで、今でも半信半疑で気持ち悪いので、ケリをつけたいです！ みなさんどのようにお考えでしょうか？ 些細なことでもいいので、ご回答お願いします。
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- nabla
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(1)について 電位差は生じていません。 最も単純なダニエル電池で考えてみましょう。 亜鉛板を銅イオン溶液につけると本来なら Cu(2+)+Zn→Cu+Zn(2+) と言うように銅が析出します。 この酸化還元反応を離して行うことでその間の電子の授受も離れて起こります。 この途中の電子の授受を拝借してモーターをまわしたりするのが電池で仕事をするということです。 つまり導線でつながれていない正極や負極は単なる銅イオンや亜鉛板であって電位差が生じているはずがありません。 (2)について 回路につないで電子が動くのは電位差が生じたために導線内部に電場が生じてその電場から力を受けて動いています。なぜどんどん加速しないのかというと金属中の陽イオンと衝突するためです。 (3)について 先生が仰っているように電場は光の速度で広がっていきますが、普通の回路程度では光速は無限大と見なせるのでつないだ瞬間に正極負極でそれぞれ酸化還元反応が起こり電位差が生じて電流が流れるでしょう。 またなぜ電場が光速で広がるのかというと、実は電磁気学より進んだ研究で電磁気的な力はフォトンという光の粒をキャッチボールすることで伝わるということが分かっています。そのため電磁気的な影響は全て光速で伝わります。
お礼
ご回答ありがとうございます。 私も、実は今日ダニエル電池を考えてみて「電位差が生じていない」という結論に至り、それで質問をしたのですが、どうやら他の方は逆の立場のようですね。 「真空中にマンガン電池をおき電場を測定する」 こんな実験でもすれば、はっきりするのですが・・・ 電場について、興味深いお話もして頂き感激です。 早くそういうところの話にまでついていけるよう、勉強したいと思います(*´∀｀)ゞ
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お礼
目から鱗です(((( ；゜Д゜))) 正に、お聞きしたかったことが論議されていました！ 本質問に対する皆様のご回答とあわせて、大体のイメージは掴ませていただきました。ただ、やはり電磁気学の理論を私はあまり深く学んでいないので、その考えは「保留」しといて、書物や大学で詳しく学んでから結論を出したいと思います。 d9winさんのおっしゃる通り、私は本質を捉えようとして、電子の移動を考え、それに囚われ過ぎて、結局本質を見失っていたようです。まだその本質は見えていないのですが・・・。 とても参考になりました。お礼申し上げます！