電場・静電現象・電流について

質問

参考書でわからないことがあり質問させていただきます。
「金属内に電場が生じた場合、この金属内の電場を打ち消すまで自由電子が移動する。電荷移動終了後は金属内の電場は0、つまり金属は等電位である。」

この現象は静電現象について、「金属内の電場を打ち消すまで自由電子が移動する」=「電流」ということで合っていますでしょうか。

また電池で回路を閉じた際に、恒常的に一定の電位差を生じる装置で電場が作られた場合、なぜ電流は流れ続けるのでしょうか。

閉じられた回路に電位差生じたことで電場が作られる
⇒それにより金属内つまり導線内の自由電子が移動開始
⇒導線内の電場が0になるまで自由電子が移動(電流)

静電誘導を利用するとこうなりますが、回路の電流が流れ続けるのはどうしてなのでしょうか。

回答No.6

maskoto

まず
閉回路において
現実世界の導線は等電位ではありません
導線にも若干の抵抗があるので、導線上の異る2地点を選んでやると電位差が存在する事になります→電場も存在していると言えます

理想世界(図面上の回路図)において
導線内はどこも等電位と言う事になります
この場合の電場や電位差の考え方はとても難しいですが
これを解釈するひとつの考え方が以下です

(市販の9ボルト型)電池と豆球を導線で結んだ、単純な回路図を考える
この回路図上で導線は等電位であり、電場はない→電子が導線を移動する理由が非常に説明し辛い
→しかしながら、回路図上においては
導線は自由に伸縮させることが可能
→そこで導線を究極にまで縮める
→すると回路図は、9ボルト型電池のプラス極とマイナス極の間に豆球がはさまった形になる
→このような回路と、導線を縮める前の回路は等価であり、
本来、理想世界の回路図においては導線は存在せず、あるのは電源とか豆球などといった素子のみである
→このように考えると、理想世界の回路図には導線なんてものが存在せず、従って導線の電場が云々なんていう議論も存在しないという事になるのです
→ただし、導線を書かないと、多くの場合
回路図を描くことはできませんから、そこは形作りのために、やむを得ず導線を描くことになります
→しかしながら、本質的には形式的に書いた導線は、極限まで縮んでいて
例えば抵抗とコンデンサーの直列回路なら
抵抗━導線━コンデンサー
と図面に書かれていても、導線は存在せず
抵抗とコンデンサーが直接つながれているのも同然という意識を忘れないのが良さそうです

回答No.5

sknbsknb2

回答No.1です。回答No.3の補足についてです。

>後半は静電場と呼ばれるものでしょうか。

私の回答では静電場を想定しています。
静電場とは、時間によって変化することのない電場のことです。

>導線内に電場ができてしまうことはいいのでしょうか。

電荷があればその周りには電場ができますから、導線内に電場ができるのは当然です。その電場の電位によって電荷が動く向きが決まります。

どこにもつながっていない金属の場合、電荷は金属の外に出ることはできませんから、金属内部で電場を打ち消すような配置になるということです。

回答No.4

ohkawa3

回答(1)～(3)でほとんど解決しているかと思いますので、蛇足ですが・・・

「静電現象」の意味は、電子の動きが無い状態のことですので、電流が流れている状態は扱いません。
「金属内を自由電子が移動すること」＝「電流」は、正しい考え方です。
という訳で、「静電現象」は、「電気現象」などに言い換えた方が適切と思います。

「静電誘導」利用して、電流を一定方向に流し続けることはできません。電流を一定方向に流し続けるには、回路中に電池のような電位差を発生させる要素が必要です。

補足

返答していただきありがとうございます。

まだわかっていないところがあり、質問させていただいてもよろしいでしょうか。すみません。

静電誘導というのは、
①すでに電場のある空間に金属が持ち込まれる
②金属に外から電荷が与えられる
これらの結果として金属内に生じた電場を打ち消すまで自由電子が移動して、電化の流れが終わり、金属内の電場が0(金属内は等電位)。
ということでしょうか。

「回路に電源を繋げること」と「上記の①と②」の違いがわかっていないですが、教えていただきたいです。
また『金属導線は等電位』と習いますが、電流が流れ続けるということは『金属導線に電場がある』ということになってしまうと思うのですが、なぜでしょうか。
実際、電流を金属内の自由電子の運動で考える時、回路の一部である金属導線内に(静)電場を加えて、自由電子が電場から力を受け、電流が存在するとしますが、静電誘導と何が違うのかがわかりません。

回答No.3

sknbsknb2

回答No.1です。回答No.1の補足についてです。

前半は、
「この電場が、たとえば電池のような恒常的に一定の電位差を生ぜしめる装置により作られ回路が閉じている場合」
という前提です。

後半はそうではなく、恒常的に電位差を生ぜしめる装置が金属に接続されていません。
たまたまそこにあった電場内に金属が持ち込まれたとか、たまたま一定量(その状態から増えも減りもしない)の電荷が金属に与えられたという状態です。

補足

返答していただきありがとうございます。

後半は静電場と呼ばれるものでしょうか。正直に言いますと、静電場と呼ばれるものもよくわかっておりません。

導線内に電場ができてしまうことはいいのでしょうか。

回答No.2

maskoto

金属内の電場を打ち消すまで自由電子が移動する」=「電流」ということで合っていますでしょうか。
→この場合は電気回路を巡るような電流ではなくて、雷のような(一瞬だけながれる)電流
だと言えます

後半の質問について
回路を構成する導線の一部を
□
で表すことにします
今、□の左側から右に向かって電場が生じているとしますと
電子の移動方向は、電流の向きとは逆ですので、自由電子は□の右から左に向かって移動する事になります…①
ところで、回路ですから、□の右隣にも□がありこれらが接していますよね
①で起きた現象は、右隣の□でも同様に起きてますから、
ひとつの□の左端と右端に存在する電子の数は時間が経過しても変化しないことになります
これにより、ひとつ目の質問のときのような
□内部の電場が0になると言う事が起きません
従って、電子の移動(電流)が0にならない
と言う事になります

補足

返答していただきありがとうございます。

まだ質問させていただきたいのですがよろしいでしょうか。

導線内に電場が生じてもよろしいのでしょうか。そうなってしまうと、導線は等電位と言えなくなってしまうと思うのですが、なぜなのでしょうか。

回答No.1

sknbsknb2

>この現象は静電現象について、「金属内の電場を打ち消すまで
>自由電子が移動する」=「電流」ということで合っていますで
>しょうか。

電子の移動という意味では広義の電流と言えるかもしれませんが、普通は電流とは考えないと思います。

>また電池で回路を閉じた際に、恒常的に一定の電位差を生じる
>装置で電場が作られた場合、なぜ電流は流れ続けるのでしょうか。

電池から新たな電子が供給され続け、その電子は正極に流れ込むので、静的な状態にはなりません。

補足

早急に返答していただきありがとうございます。

まだまだわからないところだらけなので、質問させていただきたいのですが、よろしいでしょうか。すみません。

電流と電源(電池)の定義から曖昧なところがあるのでお聞きしたいです。

回路に電源を繋ぐと、電流が流れますが、この流れてる電子は外(電源(電池))から新たに供給される電子なのでしょうか。
(導線(金属)内の自由電子だと思っていました。ですが、高校化学で電池を解いていると、確かに新しい電子が流れてる気がします。)

参考書の文章をもう一度見ていただきたいのですが、よろしいでしょうか。長文失礼します。
『もしもこの金属内に電場があれば、自由電子が力を受けて移動し電流が流れる。したがって金属は導体である。この電場が、たとえば電池のような恒常的に一定の電位差を生ぜしめる装置により作られ回路が閉じている場合、電流は流れ続ける。
しかし、すでに電場のある空間に金属が持ち込まれた結果として、あるいは金属に外から電荷が与えられたことの結果として、金属内に電場が生じた場合には、この金属内の電場を打ち消すまで自由電子が移動して新しい電荷分布が形成され、そこで電荷の流れは終わる。(したがって、電荷移動終了後は金属内の電場は0、つまり金属は等電位)。この現象を静電誘導という。』
これらの文章をうまく理解できていないのですが、わかりやすく教えていただくことはできますでしょうか。前半の文章と後半(しかし〜)の文章は何が違うのでしょうか。