• 締切済み
  • 暇なときにでも

電圧と電子と電気エネルギーの関係は?

乾電池と豆電球を例に教えてください。 (1)電子1個の電荷は変わらない。とすれば、電子は  どうやって電気エネルギーを運んでいるのか?  電流は自由電子だから、原子内の高い軌道にいる  ことでエネルギーが高いというのとは別の話? (2)電子は豆電球を通る前と後でどう変わるのか? (3)電圧は電子の密度?電圧と電気エネルギーの関係は?

共感・応援の気持ちを伝えよう!

  • 物理学
  • 回答数2
  • 閲覧数5768
  • ありがとう数1

みんなの回答

  • 回答No.2

答えやすい方から答えさせてください。 (3)電圧は電子の密度ではありません。 電子など電荷持ったものが全くなくても、電圧はかけられます。 電圧は、電位差とも呼ばれ、2点間の電位の差です。 電位とは、重力場(例えば地上)における「標高」と同じです。 電位差は、(重力場における)標高が高いところと低いところの「落差」と同じです。 高いところに質量を持ったもの(例えば水)を置けば、 「川」となって低いところへ流れるのと同様に、 電位の高いところに電荷を持ったもの(例えば自由電子)を置けば、 「電流」となって電位の低いところへ流れます。 干上がった「水なし川」は、「流れる水」がないだけで「落差」だけがあると同様に、 「電流」がないだけで「電圧」だけがある場合もあります。 「水なし川」と同様にやや特殊な環境ではあります。 電気エネルギー(単位はジュール(J))=電力量= 電圧(単位はボルト(V))×電流(単位はアンペア(A))×時間(単位は秒(sec)) ジュール(J)≒0.24×カロリー です。 乾電池と豆電球の例では、 電流≒水流 導線≒水路 豆電球≒水車 乾電池≒汲み上げポンプ とたとえることができるでしょう。 (1)電子はどうやって電気エネルギーを運んでいるのか? 上述の式をご覧になれば明らかですね。 電圧がかかっている中で、0秒を越える時間のあいだ、流れが生じれば、 「電子は電気エネルギーを運んでいる」と言えます。 「電流は自由電子」と仰いますが、 正確に「電流」とは、正電荷の動く向きを正とし、その大きさは ある断層面を1秒あたりに通過する電荷(単位はクーロン(C))の量です。 電流の担い手は金属内の自由電子とは限りません。 水溶液内の陽イオンという場合もあります。 反物質の金属内の陽電子だってあり得ます。 その場合、電流の向きと陽電子の動く向きが同じになります。 電子の場合、電流の向きが電子の動く向きとちょうど逆になることはご存知ですよね? 電子は負電荷を持っているからです。 「原子内の高い軌道にいることでエネルギーが高いというのとは別の話?」 はい。全く別の話です。 「高い軌道にいる」というのはあくまで「原子内」を基準としたエネルギーの話です。 (2)電子は豆電球を通る前と後でどう変わるのか? 質的には変わりません。 ただし、電気エネルギーが豆電球を光らせるエネルギーに使われれば、 その分のエネルギーが減ります。 すなわち、電子が一時的に減速しますが、電圧がかかっているので、再び同じ速度に加速されます。 電<<気>>の速度は、光速ですが、乾電池が1.5Vの場合、 電<<子>>の速度は、人間の目でほとんど止まっている程に低速です。 電子は、導線の中でも豆電球のフィラメントの中でも、質的には変わりません。 電子は、導線の中では、抵抗が少ないので導線の原子とあまりぶつからず、 フィラメントの中では、抵抗が多いのでフィラメントの原子と激しくぶつかるだけです。 川の流れと滝の流れの差です。流れ落ちるという点では同じということです。

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

  • 回答No.1

物に電圧をかけるというのはそこに電界を作るということです.電子は電界に引っ張られる形で力を受けます.金属なら自由電子が電界に引っ張られて移動します.これが電流ですね. 電圧というのは,電子を移動させようとする力であると考えれば良いでしょう. で,電子がスーッと移動できるなら何の損失もなく(超伝導はこの状態)て良いんですが,現実にはそんな都合良くはいきません.電界によって力を受けて加速したとたんにあっちの原子に激突,こっちの原子にぶつかる・・という具合でエネルギーを失って減速・・再び電界で加速されては激突して減速・・という具合で全体としてみるとズルズルズルズル・・としか動きません・・まぁ,パチンコの玉が重力に引かれながらあっちにぶつかり,こっちにぶつかりしながらゆっくりしか落ちられないようなものと思っても良いでしょうし,水が流れて水車を回しているようなものと思っても良いでしょう.水車を回した分だけ,水の落ちる勢いは小さくなりますけど,水そのものには変化はありませんよね? ということで,豆電球を通る前後で電子そのものには別段何の変化もありません. ぶつかられた原子側は振動・・で,結局熱に変わるわけですね.

共感・感謝の気持ちを伝えよう!

関連するQ&A

  • 電子回路での電子などの働きについて

    電池に豆電球をつないだだけの回路を作った時に、電子や正の電荷のことを考えるといろいろと疑問が出てきますが、私の持っている本には答えが書いてないのでこれらについて教えてください。 1.豆電球がつくのは電池のマイナスから移動した電子が豆電球にぶつかるからなのか? 2.それとも電池のプラスから移動した正の電荷が豆電球にぶつかるからなのか? 3.プラスから正の電荷が移動してマイナスから電子が移動するならば途中で両方がぶつ     かったときに中和して電気が流れなくなると思うのだがなぜそうならないか?

  • 電圧の役割は?

    電気の事がよくわからないのですが よろしくおねがいします 電池に電球をつないだ回路があったとして 電流が豆電球を光らせると思おうのですが 電圧は電流を押し出す役割をしていると 考えていいのでしょうか

  • 電球の電流と電圧

    豆電球1個に乾電池を1個をつないだ時の電圧1.2V、豆電球1個に乾電池を2個を直列につないだ時の電圧2.4V、当然2個のときが明るいのですが、電流はどちらも0.5mA。電圧が2倍のとき、電流は2倍流れると思っていましたが、なぜこうなるのでしょうか。

  • 電子工作についていくつか教えて下さい

    電子工作の本を読んでいて幾つか疑問がありましたのでお暇があるときに教えて頂けないでしょうか?一部のみでも助かります。宜しくお願い致します。 ■電気は貯められないと小学校で習ったが、実はコンデンサーを使うことで貯めることが可能である。また、業務用として大型コンデンサーを使うことで数時間パソコンなどを使うなど実用的な使い方も可能である。○か×か? Cf,NAS電池など? ■昔、銅とアルミと酢で電池を作り、それを直列に繋ぐことで1.5Vの電圧(テスターで測定)があったが豆電球を付ける事は出来なかった。この理由はなぜでしょうか? 恐らく、電流が足りないため付かないのだと思いますが、電圧と抵抗で電流が決まりますので、電圧さえ決まっていれば、消費電力(ワット=電圧×電流)は決定していると思うが、教科書に書いてあった通りには行かない。 ■上記質問の応用で、市販の1.5V乾電池を100個程度並列に繋いだら、豆電球は直ぐに切れるのでしょうか?

  • 電圧、電流について

    今、直流のことで考えているのですが、回路が切れていても例えば乾電池のプラス側は1.5Vの電圧がかかっていて、電池のマイナス側は0V(アースという?)アースとマイナスのつながりもよくわかりませんが・・・。 という状態は、水道で蛇口を閉めていても水圧がかかっているのと同じ、という感覚で理解しているつもりです。 電気回路で10Vの電圧がかかった状態で、10Ωの抵抗がつながっているとき、10Ωの抵抗で電圧降下が発生して、10Vから0Vになる。 と教えてもらいました。 なぜ、電圧降下がおこるのですか? これとは別に、「電流は電子の流れ」というのも教えてもらいましたが、例えば「電球を光らせても電子がなくなるわけではない。」と思います。 そう考えると、「電子の流れって一体何をしているのだろう?」と思ってしまいます。 これも、「電気を水にたとえて考えてみると」というところからの疑問です。水は使った(流した)分はなくなると思います。でも、電子は流してもなくならないと思います。例えば水素から電子がなくなってしまうと陽子だけになると思います(それはおかしくないですか?)。 電流は電子の流れ、それで電球が光る、その後電子はどうなるの、どうして電圧が下がるの? これが理解できません。 よろしくお願いします。

  • 電圧は何故導線にしかかからないのですか?

    非常に程度の低い質問ですが、、、 例えば電池に豆電球を導線で直列で繋いだとします。 その時、導線内の電子には位置エネルギーが加わり電子がマイナスからプラスへ移動しますが導線の外にある電子(空気中の電子とか)には電圧はかからないのですよね? これって何故ですか? お願いします。

  • 電気エネルギー

    電気エネルギーとは、電子の運動エネルギーや負電荷が正電荷を引きつけたりする能力のことですか?

  • 電気の流れ方

    小学生のころ、体育館で各点に豆電球を配置した長いエナメル線に電池をつなげ、 電気が一斉に点灯する実験をしたことがあります。 これに関して、本当に同時に点灯しているか?という疑問です。 地球一周規模の同様のものを考えた場合どのようになりますでしょうか? 電池は電圧、電流ともに十分あるものとして、 前提条件を併せて(電線に抵抗が無い、電子の分布が一様、等) 回答いただけるとありがたく思います。

  • 電池、抵抗の直列回路、電流の大きさと電池の寿命の関係などについて

    (1)乾電池1個に豆電球1個をつなぎます (2)乾電池1個に豆電球2個を直列につなぐ。 (3)乾電池2個を直列につなぎ、これに豆電球1個をつなぐ。 ここで問題です。(2)、(3)を(1)と比較します。 (2)の場合、抵抗が(1)の2倍になるので、流れる電流は半分になり、  電池の寿命は(1)と比べて2倍になります。 (3)の場合、電圧が(1)と比べて2倍になります。  ということは、  オームの法則から、流れる電流は2倍になります。  それで、電池の寿命は、(1)の半分になります。 ここで、疑問が湧いてきます。 仮に(1)で電池の寿命を100秒、流れる電流を1アンペアとすると、(3)では電流が2倍流れていますので電池の寿命は50秒になります。 この仮定を前提として (1)で電流が1アンペアとするなら、1秒間に1クーロン、100秒で100クーロンが、導線というか豆電球の回路の断面を通過することになります。 (3)では、電圧が2倍で電流が2アンペアなので、1秒間に2クーロン、電池の寿命は50秒なのでやっぱり100クーロンが豆電球を通過。 けれども、ここが合点がいかないのですが、 電池が2個あるので50秒間に1個につき100クーロンの電気量が流れ出たとすれば2個で合計200クーロンの電気量が流れ出たことになります。 すると、残りの100クーロンはどこへ行ったのでしょうか。

  • 電気の流れ

    素人的な疑問があります。乾電池に豆電球をつなげて豆電球をともします。マイナスからプラスにむけて電流が流れ、豆電球で電子をある程度消費して電子がプラスに行きますが、このプラスにいった電子はその後どうなるのでしょうか?再度マイナス極にいって、再利用されるのでしょうか??