電球が光るのは？

質問

フィラメントに電流を流すと、発熱する。
分かりません。
温度が上がると、発光する。
これも分かりません。
それ以前に、抵抗は、なぜ抵抗になっているんですか？

自分自身も何を問えば良いのか分からず、漠然としてしまいました。

回答No.9

Hikaru99

フィラメントに電流を流すと発熱し、発光するという現象に
ついて簡単に説明いたします。専門的な説明は他の方にお任
せして、科学の啓蒙書のレベルで解説いたします。

電球が発光するのは熱放射という現象によるものです。
フィラメントにかかる電圧が低いときには、フィラメントは
暗赤色をしていますが、フィラメントにかかる電圧を徐々に
高くしていくと、フィラメントの温度が高くなり、フィラメ
ントから出る光の色が、明るい赤～橙色～黄色と変化し、や
がてまぶしいくらいの白色になっていきます。

このような現象を起こすのは電球のフィラメントだけではあ
りません。例えば、溶鉱炉の中で溶けている鉄は温度が低い
ときには赤色をしていますが、温度が高くなるにつれてフィ
ラメントと同じように明るい色になっていきます。
このように、高温の物体から、光（電磁波）が放射すること
を熱放射と呼びます。逆に物体から発せられる光の色で温度
を判断することができ、そのような測定器も実際にあります。

それでは熱エネルギーが光のエネルギーに変わる仕組みをニ
クロム線で簡単に説明しましょう。

ニクロム線に電気と通すと発熱しますが、同時にニクロム線
の色は暗赤色となります。ニクロム線は高温になるにつれて
明るくなり、やがて白色に近い光を出します。ニクロム線は
ニッケル－クロム－鉄を主成分とする合金ですが、電気が通
るとニクロム線の成分金属の原子が激しく振動し、それが熱
となります。原子が振動しているとき、原子の中の電子も振
動します。温度が高いというのは原子の振動が大きいという
ことですが、同時に電子の振動エネルギーが光として放出さ
れるのです。

白熱電球は、この熱放射の原理で光っています。電気エネル
ギーをいったん熱に変換してから光を出しています。そのた
め、光っている電球はとても熱くなっています。

蛍光灯は電気エネルギーを直接光に変換する電気ルミネッセ
ンスという原理で光っており、白熱電球の発光原理とは異な
ります。その証拠に発光した蛍光管はそれほど熱くなってい
ません。

物体の発光に共通するのは、電子が持つエネルギー量の変化
です。光は電子が持つエネルギーの姿形が変わったものとい
ってもよいでしょう。

参考：光と色の100不思議（東京書籍）>執筆者の一人です。

参考URL：

http://homepage1.nifty.com/kuwajima/lac100/

回答No.8

siegmund

siegmund です．
余り回答者同士の議論もどうかと思いますので，
ちょっとだけコメントして終わりにします．

○ イオンが周期的に並んでいる限り，電気抵抗の原因にはなりません．

○ 電子間の相互作用は電気抵抗の直接原因にはなりません．
これはいわゆる内部力ですから，全体の運動量(電流に比例する)を保存します．
電気抵抗になるかどうかは１個の電子の運動を見るのではなく，
電流全体を見なければいけません．
ただし，電子間相互作用も格子振動や不純物とからむと電気抵抗に関係します．

○ 絶対零度以外の物質は電磁波を放出していますが，
それは電荷を持ったものが振動してその振動数の
電磁波を放出しているというようなものではありません．
詳細は量子統計力学や固体物理の本の黒体輻射のあたりを参照下さい．
なお，固体内の格子振動数には上限があり，デバイ振動数として知られています．
タングステンだとデバイ振動数は 10^13 Hz くらい．
可視光線は橙色で 5×10^14 Hz 程度ですから，
格子振動の上限よりずっと高い振動数です．

○ 「分子(原子のつもりかな？)は原子核の周りを.....」
確かに孤立した原子をもってくれば，電磁波は出しませんね．
私が「物質」と書いたのは，マクロなものの意味です．
おそらく質問者の kouji88 さんも同じでしょう．
そもそも，温度が定義できるのはマクロな物質についてのみで，
孤立した原子１個についての温度は無意味です．

回答No.7

boow

ちょっと誤解の無い様に補足だけ。

「> その分子の振動が起こした波ってゆうのは、
　> 電磁波ってゆうことなんでしょうか？

　分子の振動の波は，分子そのものの振動であって，電磁波そのものではありませ　ん．
　物質と電磁場は相互作用をしますので，
　その相互作用を通して電磁波が出てくると思ってください． 」

電磁波が発生するにはイオンや電子の様に電荷を持ったもの（電気を帯びたもの）の運動（振動）で無ければなりません。

「> もしそうなら、すべての物質は常に電磁波を起こしているって考えて良いんで　しょうか？

　絶対零度以外の物質は常に電磁波を放射しています．
　絶対零度は到達できないから，実質上「すべての物質は電磁波を放射している」
　と言ってもいいですね．」

一般的にはそうですが、本当は常に電磁波を出している訳ではありません。
有名な話で
「分子は原子核の周りを（電気を帯びた）電子が回って運動し続けている。という事はいつかは電磁波を出し尽くして、電子が原子核に吸い寄せられてしまうはずなのに実際にはそうではないのだろう？」
という疑問を持った人がいました。
これから発展していく話は現代物理学の根幹をなす話になっていきますので到底簡単には語れません。（相対論とか量子論などと言われる領域です）
もし興味があるのならば大きな書店の物理学の本を足を止めて見てみるのが良いと思います。深く知れば知るほど楽しいと思いますよ。（ほんと、役に立ちませんが）

回答No.6

boow

疑問に答えられるだけ答えたいと思います。

「陽子って原子の真中の原子核のことでしたっけ？」

電子・陽子・中性子は素粒子と呼ばれるもので、原子を構成するものです。
原子は電子と原子核から出来ており、原子核は中性子と陽子で出来ています。

「あと、抵抗値が低い=自由電子が多いってのがよく分かりませんでした。
抵抗になっているのが原子なら、自由電子が多くても、結局はぶつかって抵抗にならないんですか？ 」
「『では，自由電子がイオンにぶつかって(イオンと相互作用して)それが電気抵抗の
原因になるのか？
いかにも納得できそうな話ですが，実はそうなっていません．』
え？、違うんですか？ 」

あくまでも抵抗とは電子の運動を妨げる効果であり、その電子の運動を妨げるものは実際に運動している電子以外のものが全て抵抗の原因となります。
ですから、電子以外のもの（金属原子、イオン）はもちろんいっしょに運動しているほかの電子も抵抗の原因となります。
また「自由電子」と言う言葉が出てきましたがこれは電気の流れは電子の流れ、電子を動かすには自由に動ける電子が必要です。では「自由電子」とはそれは何かといいもすと、話に出てきたかと思いますが、原子は原子核を中心にその周りを電子が「金属」と呼ばれるものは結晶になると回っている電子のうちいつかが結晶中を
自由に動き回れるようになる性質を持っています。この動き回れる電子を自由電子と呼ぶのです。

「あともう１つ、
『「電子」はマイナスの電荷を持っているため、電子移動する方向の逆方向に電流が流れます。（余計わからなくなりますか？)』
余計分からなくなっちゃいました。
電流の実態ってって何なんでしょう？」

これは 電流の方が電子より先に見つかった為このようなことが起きてしまったのです。一般には電流は電子の流れと考えて間違えありません。
電流とは便宜的なもので実際は電子の流れです。

「で、その周期性はどのようにして抵抗になるんですか？
ブロッホさん・・・ 」

周期性は抵抗を考えるだけでは関係ありません。
これは「自由電子」が実際には「自由でない」ことを考えるときに出てくる「エネルギーバンド構造」を考えるときに必要になってきます。
ですので周期性はとりあえず忘れてください。

「『イオンの格子振動は温度が高くなるほど激しくなります．
金属で温度が高くなると電気抵抗が大きくなるのはこのためです． 』
これって、逆に考えてもいいんですよね？だったら、イオンに電子がぶつかって、イオンが振動しまくって、抵抗が増すって思ったんですけど、・・・やっぱり違うんですよね。う～ん・・・う～ん 」

その認識は間違っていないと思いますよ。

「その分子の振動が起こした波ってゆうのは、電磁波ってゆうことなんでしょうか？もしそうなら、すべての物質は常に電磁波を起こしているって考えて良いんでしょうか？ 」

これは非常に難しい問題です。
「輻射」という言葉が出てきましたがそんな話をはじめるとどんどん話がややこしくなるので、「分子の運動の一部は光の波になる」程度の認識でよいと思います。
っとこんなところです。

補足

回答ありがとうございました。

今回「電球が何故光るか？」について質問して、皆さんからいただいた回答の中に、知らない言葉がたくさん出てきました。何を調べれば良いのか、大体分かりました。
皆さんに聞いてばっかじゃ、「勉強」にならんですよね。
知らなかった言葉とか、勉強不足な部分とか、勉強しなおしてきまーす。それでまたつまずいたら、またおねがいします。
ありがとうございました。

回答No.5

siegmund

siegmund です．

> 陽子が１、電子が1ってことは、電気的に中性ってことですよね。
> それが中性子って事ですか？

そうじゃなくて，原子核に陽子が１個，周囲に電子が１個で，水素原子です．
原子全体としては中性．
ヘリウムの原子核だったら，
原子核は陽子が２個プラス中性子が２個，周囲に電子が２個．
ヘリウムには他に，原子核が陽子が２個プラス中性子が１個
原子核が陽子が２個プラス中性子が４個，
のものもあります．

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> 抵抗値が低い=自由電子が多いってのがよく分かりませんでした

電子の電荷は一定ですから，どれくらい電流が運ばれるかは
(自由電子の平均速度)×(自由電子の個数)
に比例します．
同じ積載量のトラックで物資を運ぶとき，運送量は
(トラックの平均速度)×(トラックの台数)
に比例するのと同じことです．

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>『「電子」はマイナスの電荷を持っているため、
> 電子移動する方向の逆方向に電流が流れます。
>（余計わからなくなりますか？)』
> 余計分からなくなっちゃいました。

請求書と支払い金の流れが逆というのは，説明になりませんか？

> 電流の実態ってって何なんでしょう？

電流の実態は電子の流れと思って結構です．

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> 『では，自由電子がイオンにぶつかって(イオンと相互作用して)それが電気抵抗の
> 原因になるのか？
> いかにも納得できそうな話ですが，実はそうなっていません．』
> え？、違うんですか？
> が～ん・・・
> で、その周期性はどのようにして抵抗になるんですか？

周期性が乱れると，電気抵抗の原因になります．
周期性を乱すものが，不純物や格子振動(フォノン)です．
不純物が周期性を乱すのは明らかでしょう．
格子振動は，イオンが振動すればイオン間の距離が近づいたり遠ざかったりします．
したがって，周期性が乱れる，というわけです．

この話はかなり程度が高く，大学の物理学科の４年くらいの内容です．

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> これって、逆に考えてもいいんですよね？
> だったら、イオンに電子がぶつかって、イオンが振動しまくって、
> 抵抗が増すって思ったんですけど、
> ・・・やっぱり違うんですよね。う～ん・・・う～ん

電球のフィラメントの話ならほぼそれで結構です．
最初はフィラメントの温度は室温．
電流が流れると電気抵抗による発熱でフィラメントの温度が上がります．
当然，抵抗も増しますね．
最終的には，消費電力(入ってくるエネルギー)と放射や熱伝導で失われるエネルギーが
等しくなったところで定常状態になります．
「イオンに電子がぶつかって」は「不純物や格子の振動と作用して」
としないといけませんが...

ただし，発熱するから抵抗が生まれるわけではありません．
温度が上がらないようにして置いても電気抵抗はあります．

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> その分子の振動が起こした波ってゆうのは、
> 電磁波ってゆうことなんでしょうか？

分子の振動の波は，分子そのものの振動であって，電磁波そのものではありません．
物質と電磁場は相互作用をしますので，
その相互作用を通して電磁波が出てくると思ってください．

> もしそうなら、すべての物質は常に電磁波を起こしているって考えて良いんでしょうか？

絶対零度以外の物質は常に電磁波を放射しています．
絶対零度は到達できないから，実質上「すべての物質は電磁波を放射している」
と言ってもいいですね．
こちらの話は，私の前の回答の参考ＵＲＬをご覧下さい．

補足

大学４年ですか～・・・
僕まだ１年なんですよね・・・
でもそんな事行ってらんないですよね。他人に説明しないといけないから。
実際深く入んないと、自分も理解しないと説明できんですよね。
あ゛～～
なんか新しい言葉とか出てきて分からなくなってきたです。せっかくいっぱい書いてくださったのに、すみません。いただいた回答をもとに、勉強しなおします。
また近いうちに質問すると思うんで、その時はよろしければ、お願いします。
ありがとうございました。

回答No.4

boow

少しずつブレークダウンしていきましょう。
まず、話の大きな流れとして、電気を流してフィラメントが光るまで
1．抵抗がある
2．熱が発生
3．光が発生
の大きな流れがあります。
ではまず抵抗からいきたいと思います。
電気は一般には電子の流れと考えて問題がありません。
で、抵抗とは「電子の流れを妨げる大きさ」です。
ここでいう「流れを妨げるもの」とは普通、電気が流れるものを形作っているもの（例えば鉄や銅の分子）です。
ではどのように「妨げるか」というと電子をパチンコ玉であるとすると「妨げるもの」はパチンコ台の釘のようなもので単純に電子の行く手をふさぎ、電子がぶつかることにより、電子は「抵抗」を感じます。
次に熱の発生ですが元々熱とは物質を作っている分子の振動の大きさを表すものです。ですので「温度が高い」ということは「分子がとても振動している」ことを意味するのです。こうすればものがぶつかったら、ぶつかられたものは振動しますので、抵抗があるとなぜ熱が発生するかがわかっていただけると思います。
最後に「光の発生」ですが、これが一番難しく、ごまかして簡単に言えば「振動のエネルギー（フォノン）が光に換わった（フォトン）」ということになります。
直感的にいえば、光は波の性質を持っているので、あたかも水に波を起こすかのように分子の振動が光の波を起こし、光が発生するのです。
こんなところでどうでしょうか？

補足

ご回答ありがとうございます。
皆さんいろんな答えがあって実際混乱してます。
でも、共通した回答が一箇所でもあれば安心しますね。

光については、何となく分かりました。
その分子の振動が起こした波ってゆうのは、電磁波ってゆうことなんでしょうか？もしそうなら、すべての物質は常に電磁波を起こしているって考えて良いんでしょうか？

どうもありがとうございました。

回答No.3

siegmund

普通の金属で話をしましょう．
原子は原子核と電子からできていますが，金属では一部の電子が原子核の束縛を離れて
金属全体を動き回っています
(本当は「動き回っている」はいい表現ではないのですが，それはおいときましょう)．
この電子を自由電子と言っています．
で，金属に電場がかかると自由電子が電場と逆方向に流れて(電子の電荷は負ですから)，
それが電流だというわけです．

では，どうして電気抵抗が生ずるか？
一部の電子が抜けた原子はその分正に帯電しています．
これがイオンで，イオンは格子を組んでいるので流れたりしません．
電子の電荷は負ですから，電子とイオンはクーロン力で互いに作用しあいます．
tooff さんは「陽子と電子はぶつかったりしません。電子の動きを邪魔するだけです」
と書かれていますが，量子力学では衝突，散乱，相互作用は同じことですから
(微妙な使い分けはありますが)，
toof さんの表現にはちょっと賛成できません．

では，自由電子がイオンにぶつかって(イオンと相互作用して)それが電気抵抗の
原因になるのか？
いかにも納得できそうな話ですが，実はそうなっていません．
イオンが周期的に並んでいる限り，
イオンと電子との相互作用は電気抵抗の原因にならないことが知られています．
これはブロッホ(Bloch)の定理と呼ばれています．

電気抵抗の原因になるのは，イオン格子の周期性からのずれです．
大きな原因は二つあって，一つは不純物，もう一つはイオンの格子振動です．

不純物には，文字通り他のものが混ざっているということの他に，
格子欠陥などでイオン格子の周期性が破れていることも含まれています．
合金は一般に純金属より電気抵抗が大きいのですが，その主要な原因はこのことです．

イオンの格子振動は温度が高くなるほど激しくなります．
金属で温度が高くなると電気抵抗が大きくなるのはこのためです．
なお，半導体では温度が高くなると電流を運ぶ自由電子(のようなもの)が増える効果が
大きく，このため半導体では温度が高くなると電気抵抗が小さくなります．

電気抵抗があると抵抗体は発熱します(消費した電気エネルギーの分だけ発熱)．
当然抵抗体は温度が上がるわけですが，
温度が上がると抵抗体から出る電磁波輻射の総量が増加しと周波数も大きくなります．
電磁波の波長が可視光線の領域になると
光を出しているというように見えることになります．
電磁波輻射の話は
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=24426
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=63470
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=33610
等をご覧下さい．

電気抵抗が小さいほど発熱するかどうかは，電源の性質によります．
電気抵抗をＲ，電源電圧をＶ，電流をＩとしましょう．
もちろん，I=V/R です．
Ｖが固定されていれば，単位時間の発熱量は
IV=(V/R)×V=V/R^2
ですから，Ｒが小さいほど発熱が大きくなります．
電気のプラグでショートが起こると，中の銅線が熔けていたりします
(おいおい，危ないよ)．
一方，Ｉが固定されていれば，
IV=RI^2
ですから，Ｒが大きいほど発熱が大きいことになります．

補足

『では，自由電子がイオンにぶつかって(イオンと相互作用して)それが電気抵抗の
原因になるのか？
いかにも納得できそうな話ですが，実はそうなっていません．』
え？、違うんですか？
が～ん・・・
で、その周期性はどのようにして抵抗になるんですか？
ブロッホさん・・・
『イオンの格子振動は温度が高くなるほど激しくなります．
金属で温度が高くなると電気抵抗が大きくなるのはこのためです． 』
これって、逆に考えてもいいんですよね？だったら、イオンに電子がぶつかって、イオンが振動しまくって、抵抗が増すって思ったんですけど、・・・やっぱり違うんですよね。う～ん・・・う～ん

光については、かなり納得しました。今後の勉強のヒントにしたいと思います。
どうもありがとうございました。

回答No.2

noname#1660

creol さんにフォローですが、
物質は「陽子」「電子」「中性子」の塊（中性子を持っていない場合もあります）と言えばいいと思います。この塊が原子です。
「陽子」が１・「電子」が１＝水素　です。
「陽子」はプラスの電荷を持っており、「電子」はマイナスの電荷を持っています。「中性子」は電荷は持っておらず、次のとおり電気的には中性です。
電気が流れるというのは、この「電子」が移動することをいいます。陽子と陽子の間を自由に行き来できるため、「自由電子」と呼ばれています。
先にも述べたとおり「電子」はマイナスの電荷を持っているため、電子移動する方向の逆方向に電流が流れます。（余計わからなくなりますか？）
「電流を流すと発熱する」というのは、なにもフィラメントだけではなく、全ての導電物質に言えることです。ただし抵抗値が低いため（自由電子が多い）、目に見えて熱くなったり・発光したりしないだけです。抵抗の低い物質代表が「銀」「銅」「炭素」など、抵抗の高い物質は・・・といいたいところですが、絶縁物質も含むと大変な量になるので控えます。
陽子と電子はぶつかったりしません。電子の動きを邪魔するだけです。

補足

ご回答、ありがとうございます。
陽子って原子の真中の原子核のことでしたっけ？
陽子が１、電子が1ってことは、電気的に中性ってことですよね。それが中性子って事ですか？
あと、抵抗値が低い=自由電子が多いってのがよく分かりませんでした。
抵抗になっているのが原子なら、自由電子が多くても、結局はぶつかって抵抗にならないんですか？
あともう１つ、
『「電子」はマイナスの電荷を持っているため、電子移動する方向の逆方向に電流が流れます。（余計わからなくなりますか？)』
余計分からなくなっちゃいました。
電流の実態ってって何なんでしょう？
すみませんでした、基礎がなってない身分で。
もう一回勉強しなおして、出直してきます。
どうもありがとうございました。

回答No.1

creol

抵抗は何かモノでできてるので、そのモノは原子であることがわかります。

電流が流れる場合、電子が流れているのであって、原子は流れてません。
で、電子が抵抗の中を流れるときに、原子の方がかなりでかいため
原子にあたります。
これが抵抗のイメージです。
つまり進もうとする電子を止める働きをするのが抵抗です。

この抵抗に無理やりどんどん電子を流してやれば、ぼこぼこ電子が原子にぶつかります。ぶつかると電子はもっているエネルギー（速度）を失ってしまいます。
その失ったエネルギーが熱エネルギーに変わる事になります。
このため、抵抗が熱くなり、どんどん温度が上がれば、
今度は熱エネルギーが光エネルギーに変わって、光となり、
フィラメントのような抵抗では明かりとして使うことができます。

こんなかんじでしょうか。

補足

ご回答ありがとうございます。
抵抗については、とてもよく分かりました。
でも、熱エネルギーが光エネルギーに変わる過程も出来れば知りたいです。
お願いします。