シビレエイの発電電流について

質問

生物の分野で質問したのですが、回答がありませんでしたので、こちらで、質問させていただきます。よろしくお願いします。
あるところで、シビレエイは、電圧60V、電流50Aと聞き「え～、3KWじゃん！　絶対あり得ない！もしたったとすれば、エイのかば焼きができてしまう」と言ってしまいました。あとでいろいろ調べたのですが、シビレエイの電流に関しては、見つけることができませんでしたが、Wikで電気ウナギを見つけました。「最高電圧600-800 V ・電流1 A 。ただし、この高電圧は約1000分の1秒ほどしか持続しない」。なるほど、電流と聞き、反射的に直流か交流しか思い浮かびませんでしたが、エイとかウナギではパルスなんですね。パルスの場合、電流ってどう考えれば良いのでしょうか？1秒間に1Qの電荷が流れることが1Aでしたよね。　ウナギの場合１Aが１ｍSだって？、なら、1秒あたりに均せば1mAってこと？　つまり「実効値は1mA　電力は600-800mW」かな？　あっていますか？　シビレエイの場合、もし発電時間が1mSなら実効値は50mAで3KWでなく3Wですか？うん、これならあり得るかも。しかし、発電時間を言わないと卑怯ですよね。以上、電流の考え方は、合ってますでしょうか？それと、パルスの場合の実効値なんて言わないんでしょうか？また、こんな水中の魚からでるパルス電流をどうやって測定するのでしょうか？　（電圧なら何とかなりそうな気もするけど）実際、測った人っているのでしょうか？最後に冒頭のシビレエイの「威力」についての実際をご存知の方はいらっしゃいますでしょうか？

回答No.1

kagakusuki · ベストアンサー

>つまり「実効値は1mA　電力は600-800mW」かな？　あっていますか？

　間違っています。
　質問者様は、エネルギーと仕事率（出力）を混同されておられるのです。
　私は電気魚の電流がどの程度であるのかは知りませんが、電気魚の電撃は直流のパルスであり、交流ではないのですから、電流50Aであれば、あくまで50Aであり、実効値という考え方は成り立ちません。
　電圧60V、電流50Aであるとしますと、出力は3kWであり、3Wではありません。
　そして、それだけの出力が継続する時間が、仮に1000分の1秒だとしますと、シビレエイが放出するエネルギー量は

3000[W]×0.001[s]＝3[J]

になります。
　3Jをカロリーに変換すると、約0.717calになりますから、1gの水の温度を1度上昇させる事も出来ない程度のエネルギーという事になります。
　但し、これは電気として放出されるエネルギーの計算値に過ぎず、これだけの電気エネルギーを生み出すためには、シビレエイは電気として放出したエネルギーを大幅に上回る量の化学的エネルギーを消費している筈ですから、シビレエイの体内で発生する熱量の目安とはなりません。
　又、電圧60V、電流50Aという値は、おそらくは瞬間的な最大値ではないかと思われますから、1000分の1秒の間であっても、それだけの電圧と電流値が持続しているのではなく、放電が開始された瞬間が最も電圧が高く、時間が経過するに従って、急速に電圧と電流が低下するのではないかと思われます。
　電圧が変動するのでは、電圧が何処まで低下した時を、放電時間の終了と見做すのか決める事は出来ませんから、発電時間と最大電圧と最大電流だけから、単純計算で放電によって放出された総エネルギーを計算する事は出来ないと思われます。

お礼

ご回答ありがとうございます。
仕事率とエネルギーを混同している、ということですね。それは「単位時間に換算したした時のエネルギー」と「実際消費したエネルギー」と言うことでしょうか？それにしても「シビレエイの出力は３ｋWです」と言われると「え～、強力電熱器３台分じゃん」と思ってしまいます。これに「でも、それは１０００分の１秒しか続かないのでエネルギーとしては、「３W・秒」だよ」と付け加えれば良い。これ、合ってますでしょうか？

回答No.2

kagakusuki

>それは「単位時間に換算したした時のエネルギー」と「実際消費したエネルギー」と言うことでしょうか？

　はい、その通りです。

>これに「でも、それは１０００分の１秒しか続かないのでエネルギーとしては、「３W・秒」だよ」と付け加えれば良い。

　う～ん、微妙な所です。
　もしも、シビレエイの放電が、開始された瞬間に、いきなり電圧が丁度60V、電流が丁度50Aになり、その状態が1000分の1秒間だけ続いた後に、突然スイッチを切った様に、電圧が0V、電流が0Aとなるのでしたら、仰る様に３W・s（正式には3J）なのですが、生物の放電が、そんなスイッチをON/OFFした時の様に、一瞬で一定電圧・一定電流値になった後、一瞬で放電が完全に停止する、等という事は無いのではないかと思います。
　放電時の電圧や電流の変化が、例えば、放電開始時には1000分の1秒よりもかなり短い時間の間に最高電圧に達し、その後、徐々に電圧が低下して行き、1000分の1秒後には殆ど0Vに近くなる、という様なものである場合には、電気として放出される総エネルギーは3Jよりも少なくなります。
　又、例えば、電圧や電流の変化が、放電開始時には急激に電圧が上昇して60V以上になり、その後は徐々に電圧が低下して行き、60Vにまで低下するのが1000分の1秒後であり、それ以降も60V未満で放電が継続する、という様なものである場合には、電気として放出される総エネルギーは3Jよりも多くなります。（桁違いに多くなる訳ではありませんが）
　ですから、シビレエイの放電の電圧や電流が、どの様に変化して行くのかが判らなければ、電気として放出されるエネルギーの量も求める事は出来ません。
　そのため、

>「３W・秒」だよ

とエネルギー量を断言してしまうのも、誤解を招く事になるかも知れません。
　余談ですが、エネルギーを表す場合の単位は、なるべくなら「W・秒」ではなく、「J」（ジュール）を使われた方が宜しいかと思います。

お礼

いかにも科学好きを自任されているように、論理的で正確さを追及されたご回答で嬉しくなってしまいます。
生物が発生させる電力ですので、雷みたいなパルスではなく、たぶん筋電図とかの波形でしょうね。また、そちらを調べてみます。
「３W・秒」というのは、この話のきっかけとなった人が「J」をご存じなくアンペアとかワットなら分かると言っていたためです。確かに日常でアンペアやワットは出てきますが、ジュールはあまり出てきません。でも自分の中ではジュールをもっと使うように致します。ありがとうございました。