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電流が流れているときの導線内部の電場について
高校物理を勉強中の者ですが、疑問が起こったので質問します。 起電力Vの電池と抵抗Rをつないで電流を流すとき、導線内部の電場の 大きさをE、電子の電気量をeとすると、電子はF＝eEの力を受けて移動 しているかと思います。 しかし導線の電位はほぼどこでも等しいわけですよね。 そうすると、E=dV/dxですから、電位がほとんど変わらなければE≒0となる ので、電子はほとんど力を受けないことになります。 これは電流が流れることに矛盾しないでしょうか。 ひょっとして導線内部に電場が走っていると考えていることが間違っている のでしょうか？ どなたかこの疑問を解決していただけないでしょうか。
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捉える部分を、限定している事が原因だと思います。 導体部分はほぼ同電位であるので、その部分の電子同士間には力が働きません。 公式で求めたのは、この電子同士の力の差を表しています。 その為、仰る通りの結論で正しいと思います。 しかし回路全体で見れば、電源により電位差があるので、全体には力が働きます。 つまり電車に例えると、電車内の人同士には力が働きませんが、電車を動かしているという大きな力で、人には力が働いているのと同じ事です。
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- 高梨 竜二（@mychingoo）
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「NO．３」です。回答が遅くなってしまってすみません。 前回の回答の中で一部不正確な表現がありましたので訂正させて頂きます。「V－IRという電圧降下（＝電位差）・・・」と書きましたが正確には「IRという電圧降下が起こりV＝IRという電位差（＝電圧）が発生する」です。どうも申し訳ありませんでした。 さてお尋ねのオームの法則E=IRについてですがR≒０の場合E=IR=０となって電位差は発生しません。すなわち電圧はかかりません。従ってI=E／RはE=０よりI=０となり電流も流れません。 もし無限大の電流が流れるとしたら電池も導線もひとたまりもありませんよね？ 電池の＋極の方がー極よりも高電位なのになぜ電流が流れないかつまりなぜ電子が移動しないかという問題につきましては電池の中で何か化学的なエネルギーによって電子の移動を食い止めているそうです。記憶間違いだったら御免なさい。
定常的な直流回路として、さらに単純化すると、導線を理想的な導体とすれば、抵抗が0とすれば、その内部に電場はありません。 電位差は抵抗で生じています。抵抗は理想的な導体ではありませんから、その両端で電源の電位差を打ち消すようになっています（オームの法則）。 そうすると、抵抗内部には電場があると考えれば良いことになるように思います（あんまり考えたことはないです）。
- 高梨 竜二（@mychingoo）
- ベストアンサー率39% (9/23)
まず始めにしばらく物理から遠ざかっていたので勘が鈍っていることをお許し下さい。 さて電気回路の電位・電場の問題ですが電流は水が高い所から低い所へと流れるように電位の高い所から低い所へと流れます。つまり電位差＝電圧がなければ流れません。 おっしゃられている「導線内部の電位はどこでも同じである」というのは誤りです。電流の強さをIとすると抵抗Rを通る前と後ではV－IRという電圧降下（＝電位差）が生じます。だから電流が流れるのです。 電子に働く力（ローレンツ力）はなるほどF=ーeEであり電場の強さはE=ｄV／ｄｘと表せられますが電位は一様ではなく（場所ｘの関数）従って電場の強さEも一様ではありません。ですから電子に働くローレンツ力も一様ではない（場所ｘの関数）ということになります。決してE=F=０とはなりません。 もし抵抗や豆電球（抵抗がある）などを接続しないで導線だけで電池の＋極とー極をつないだだけでは電流は流れないはずです。ただしこの場合導線内の抵抗は無視できるものとします。 少しトンチンカンな答えになってしまったかも知れませんがどうぞお許しください。
- tadys
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おっしゃる通り、電線の中の電場はE≒0ですが、E＝0では有りません。 電線には抵抗はありますから電流が流れていれば電圧は発生します。 電線の様に極めて低い値の抵抗値を測定する時にはケルビンダブルブリッジを使用します。 http://www.jeea.or.jp/course/contents/02101/ 電線の中には極めて多数の電子が存在するのでわずかの電圧でも沢山の電気を流す事が出来ます。 http://www.mogami-wire.co.jp/puzzle/pzl-05.html 超電導線の場合は電圧が無くても電流が流れますが、この場合は磁場が電流を維持していると考えれば良いでしょう。
- 中村 拓男（@tknakamuri）
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導体とはわずかな電場で大量の電子を移動できるものです。 なのでE≒0でよいのです。何も矛盾は存在しません。
お礼
ご回答ありがとうございます。 >もし抵抗や豆電球（抵抗がある）などを接続しないで導線だけで電池の＋極とー極をつないだだけでは電流は流れないはずです。ただしこの場合導線内の抵抗は無視できるものとします。 この場合、導線の抵抗をR、導線の両端をEとすると、 オームの法則よりE＝IRより、I=E/R R→0のとき、I→∞になります。これは導線に流れる電流が0になることに 矛盾しないでしょうか？