先日、電圧とは何でしょうかと質問した者ですが

質問

先日、電圧を掛けるとはどういう状態なのでしょうか？と質問させてもらい、色々な方から回答を頂きました。有難うございます。しかし色々と考えてみたのですが、自分の勉強不足と理解力の欠如で未だにしっくり来ない点があります。

電子は動くと授業でも習い、そういう回答も多かったのですが、実際に電子が動いている訳では無いという回答もありました。それは電子が不純物などに衝突するまでの時間（平均自由時間）が極めて小さいために移動している訳ではなく、あくまで電子の運動エネルギー情報だけが伝わっているという事ですか？例えば金属の中は自由電子やフォノンなどが数珠繋ぎのように密集していて殆ど身動きする事は出来ないが、エネルギーだけ伝播する事になっているという事でしょうか。

また電源の負極から電子が押し出されるや、電源は電子（電荷）を供給し続けるポンプ等の表現がありました。そういったイメージはあったのですが、電源が電子を押し出す力の源（正体）は何ですか？電荷を供給し続けるポンプの高さ（電位・電子を押し出す力の強さ）は何によって決まるのですか？これが一連の質問の中で１番知りたい内容です。
電位が高い、低いとは何によって生じるのか、また電場は導体内でどうして変化するのか分かりません。電位の高低差は単なる抵抗による電圧降下だけが原因でしょうか。電場の強さは電荷からの距離に依存し、電位も電場のした仕事で距離に依存するのは知っているのですが、それらは点電荷と置いた理想的な条件下の事しか授業で学んでいないので、実際の工学的な回路内の電荷たちの振る舞いに対しての内容は理解できていません。

個人的には
「電圧（電位差）は、高低差つまりポテンシャルエネルギーの差です。例えばｋ殻とL殻とのポテンシャルエネルギーの差が電圧（電圧）に相当します。」
という回答が１番しっくりきました。電子が電源の負極から電位の高い方へ移動するというのはエネルギー準位の高い方へ遷移するのと同じであり（そこまで移動するのに要するのがポテンシャルエネルギー）、価電子（電荷）に力（エネルギー）を与えて上のエネルギー準位に移り、電子が伝導帯で自由電子となって電流が流れるという説明にも繋がると思いました。

あまり考え過ぎると混乱してしまい、さらに新たな疑問が浮かびそうなので、この際、端的に質問すると、電源の中は何が入っていて、電圧調整つまみを回して具体的に何を変化させた結果、電源部分の電圧を変化させていて、あの中で何をしているのかだけでも教えてもらえないでしょうか。

回答No.7

ORUKA1951 · ベストアンサー

＞電荷が移動し、Bと先端部分に電流が流れると先端部分の電位が下がるのは何故ですか？
　負の電荷があるところに逆電位の電荷が加わると中和されてしまう。
　　導体(金属)の場合は実際には電子がBから導体に流れ込みその部分の電位が下がる。そうすると隣の電荷も移動できるようになる（実際は電子がそこにいく）。このように電荷が下がったよ(電子が来たよと言う信号がAに向かって伝わっていくと同時に、その信号が届いた部分では電荷が移動している。あくまで「電位が変わったよ」と言う信号が伝わっていく。その信号によって電子が移動すると考えて良いです。その速度は、その導体内の光速と同じです。
　水流モデルだって、一方の端のコックが捻られたことを、他方は知る由もない。--その圧力の変化が伝わってくる--水中の圧力の変化--すなわち音波の速度と同じ。

※交流の場合は正負が周期的に変わるため、導体内の電子は振動しているだけ

＞また同時にBの電位が上がるのは何故ですか？
　これも同じです。コップに水を注げば水位は上がる。

お礼

だいぶ理解に近づきました。有難うございました。

他の多くの方々も回答有難うございました。

回答No.12

fxq11011

起電力、私自身もよくは理解しませんが、この言葉が抜けているように思います。
車の発電機では、起電力の能力？は容量としてW（＝電流×電圧）で表示されます。
最大能力に対して取り出す電流によって電圧が変化します、電流無限大では電圧０Vです。
電気エネルギーを発生するものが電源、両端をつないでショートすれば、電流は無限大となり電圧は０V、
途中に抵抗があれば、電流の値は限定され、抵抗の両端に電位差が現れる（W=A×V）。
電気はエネルギーの変位情報なため、障害なく情報が伝わる限りエネルギーとして現れないが、障害（抵抗）があると、さし障りなく伝達可能な状態に媒体を変えようとする力が現れる。
津波の波に例えると、十分に深い海では波として変位情報が伝わるだけ、浅くなったり、水がなくなったところで、立ち上がったり、水がなければ満たそうとあふれ出しエネルギーとして姿を変える。

回答No.11

Water_5

言われてみれば、私メモ、電圧がわかりません。
それどころか電流もわかりません。

抵抗もわかりません。電気工学ではそれらはきちんとした
定義があります。しかし、現実的には、だれもわからないと思います。

抵抗について
電気工学では電流が流れる時の抵抗です。
Ｖ＝ＩＲです。むつかしくしているのは、ここへ物理学が
乱入してくる事です。電流が正極ーーーー＞負極へ流れる時
電子は負極ーーーー＞正極となってるはずです。

ここで多くの人間は、質問者に限らず、混乱してくる。
”電子”ってなんのな？さあなんでしょうね。誰にもわからないでしょうね。神様でもわからないと思いますよ。

これに超伝導の話が加わります。電気抵抗＝０です。
ならば、今までの電気抵抗の定義は正しかったのか？
となり、大混乱に。

回答No.10

Water_5

質問者は、”電圧”と言う言葉に、惑わされている。
ため、このような質問になるのです。

”電圧”とは電気の圧力ではありません。当時、発達していた
流体力学に、対応して、水圧＝電圧にしたのです。

そういう言葉使いになったのです。

Ａ点（９Ｖ）のとき、Ｂ点（５Ｖ）のとき、高圧側から
低圧側へ電流が流れます。Ａ点ーーー＞Ｂ点

なお、電流も水流に対応して造語したものです。

回答No.9

アウストラロ ピテクス（@ngkdddjkk）

電界に逆らって電荷を無限遠から持って来た時の仕事(エネルギー)が電圧です。(定義)

2点に与えられた電位の差が電圧です。これは電磁気学の領域です。
微小間隔にして考えれば、電子が原子に衝突するまでの時間が長い物質は電界によって加速されエネルギーを持ち、やがて電子に衝突する。(この時エネルギーが熱などになって失われる)
この間隔を平均自由行程と言います。平均自由行程が長いものはエネルギーロスが少なく、逆に短いものはエネルギーが失われていきます。平均自由行程が長いもを導線、短いものが抵抗というイメージを持ってもらえばいいです。

電圧の発生源としては、基本的に発電所の発電機でローレンツ力、レンツの法則により生み出されます。
その電圧を変電所等で電力を維持しながら昇圧降圧が行われ、コンセントまで届けられます。
コンセントから電源装置に入った電気は交流であるため整流、平滑化され、レギュレーターなどフィードバック機構を経て基準電圧を得ます。つまみで電圧を変更している場合には、既製品であればオペアンプなどのICの組み合わせの途中にボリュームを設置して電圧を可変できるようにしています。

回答No.8

customar

ど素人ですが書き込みします。

回路の場合は等電位になろうと自由電子が移動（「電流」）するだけじゃないの。クーロン反発力的に。その個々の自由電子のエネルギー的な安定化というのなら分かります。

電源という供給元におけるエネルギーの安定化に起因する力なのでは。ポテンシャル云々は電池の内の話ぐらいにして。

導体内の電界はゼロでしたか。よくわかりませんが、位置的なクーロン力の反発力が玉突き的に進むと解釈した方がいいと思います。電圧と言ってもそれは電位差を導体内に配分しているだけにして。

要するに（電界の発生源に位置する）電源装置が電子を移動させて、後はそのエネルギーを玉突き的に受けて安定化。

回答No.6

noname#195773

電源はまずトランスで電圧を下げてからダイオード，コンデンサなどで直流にし，プラス側に直列に挿入されているパワートランジスタによって電圧をコントロールしています。
このトランジスタは抵抗として働き，トランジスタと負荷の分圧により，必要な電圧が得られています。
出力電圧をベースにフィードバックさせることによりトランジスタの抵抗値が変わり，電圧を安定化させている訳ですが，電圧つまみを回してもベース電流が増減する仕組みになっているので，電圧をコントロールすることができます。

回答No.5

ORUKA1951

No.1です。
＞単位は違いますが電位はエネルギー準位に対応しているという考えは、そこまで間違ってはいないと思うのですが、どうでしょうか。
　エネルギー順位とかポテンシャルエネルギーとかはとっても便利な言葉ですが、なんにでも使えるし、ちょっと学者っぽい雰囲気なので、これで「煙に巻く」時に好んで使われます。言い換えれば「位置エネルギー」ですよ。以前、ある著名な学者先生が、「水が葉の蒸散で、水の蒸気圧を越える数十メートルまで根から水を吸い上げるのはなぜか？」と聞かれて「それは、そのほうがポテンシャルエネルギーが小さいから」なんて煙に巻いているのを聞いたことがあります。---答えになっていない!!!。

　ごく簡単な静電気について考えて見ましょう。Aが正、Bが負に帯電したふたつの金属板があるとします。A,Bの内部は問題にしません。
　それぞれの金属の周囲に正電荷をもつ粒子を置くとしたら、正電荷が受ける力の方向が電場の方向で、その力の大きさが電場の強さです。
　さて、Aから針金を伸ばしていきます。このときその導体はAと同じ電位ですが、電荷はBに近い先端に偏っています。内部で電荷が電場の力を受けて移動したからです。しかし、伸ばしている最中は兎も角、静止した状態では電流が流れているわけではありません。
　先端がBに接触すると、Bから電子が乗り込んできます。電荷が移動するのでBと先端部分に電流が流れる。そうするとその先端部分の電位が下がりますから、今まで動けなかった電荷が移動できるようになります。こうして電位はB側からどんどん低下していきますが、同時にBの電位もどんどん上昇します。
　最終的に、電荷の移動の雪崩現象は導体のB端からAに向かっていきます。そして、A,Bの電位が同じになると、電場による力が働かなくなりますから電流は流れなくなります。

　電源は、BからAにポンプのように電荷を運んでいる。

補足

返信ありがとうございます。

最後？に質問させてください。
＞先端がBに接触すると、Bから電子が乗り込んできます。電荷が移動するのでBと先端部分に電流が流れる。そうするとその先端部分の電位が下がりますから、今まで動けなかった電荷が移動できるようになります。こうして電位はB側からどんどん低下していきますが、同時にBの電位もどんどん上昇します。

電荷が移動し、Bと先端部分に電流が流れると先端部分の電位が下がるのは何故ですか？また同時にBの電位が上がるのは何故ですか？これらはそういう物だと割り切るしかないという事ならその一言で良いです。

回答No.4

中村 拓男（@tknakamuri）

電圧とかポテンシャルとかはいったん忘れたほうがよいではないでしょうか？

電源は電線や負荷の中に電場を発生させる装置です。

とりあえず金属などの良導体で、電荷の担い手は電子と仮定しますが

電子は電場から力を受けて電線や負荷の中を移動します。
電荷の移動が無ければ電流はありませんから、電子が動いているのは
確かです。電子はマイナス電極で電場に押し出されて流れ出し、
電場に引かれてプラス電極に流れ込みます。

金属の電子は自由電子という状態になっていて、エネルギーを上げなくても容易
に金属内を移動できるようになっています。もちろんあっちこっちにぶつかりながらの
移動ですし、移動速度は 1 mm/s とかそんなオーダーですが、ちゃんと流れます。
金属の電荷密度は非常に大きいですから遅くても電流値はそれなりに大きくなり
問題はないのです。

回答No.3

CC_T

物質が不安定な状態にあるとき、そこからより安定した状態へと変化しようとします。
この時に、余分な電子を放出したり逆に電子を取り込んだりし、そこに「電位差」が生じます。

社会的立場が不安定な無職の人と、業務拡大で人手が欲しい企業の間にはエントロピーの差：電位差があり、その両者をつなげば人：電子が移動する。そんな感じです。
たまにはガツンとやられたストレスから会社を逃げ出してくる脱サラ組の転職移動（ピエゾ効果など）や、周囲の環境にあこがれたり促されて出てくる人たち（電磁誘導など）がいたりもしますね。

ともかく、「放出したいもの」と「取り込みたいもの」を導体でつなぐと、その意向の差として『電位差』が表れ、「放出するもの」から「取り込むもの」に向かって電子が流れるという単純な理解で良いと思います。もっとも、電子の流れと電流の流れる向きは逆ですから、人の流れと逆の方向にお金が動くとでもいった関係でイメージしておけばいいでしょう。

～～～

>　電源の中は何が入っていて、電圧調整つまみを回して具体的に何を変化させた結果、
>　電源部分の電圧を変化させていて、あの中で何をしているのか
幾つかの方式があります。

例えば、トランス（変圧器）はご存知でしょうか？
一般的なのは鉄心に１次コイルと２次コイルを巻き、１次コイルに交流を流してそれによって発生する磁界によって二次コイルに電磁誘導による起電力 を発生させることで、１次側とは異なった電圧を出力するものです。
このとき、二次側のコイルの被覆を一部剥いで、そこに接点をスライドさせる巻線ボリュームのような構造にしておけば、二次側コイルの巻数を変化させたのと同じ効果が得られ、接点から取り出せる電圧を変化させることができます。

それから、PWM変換方式というものもあります。
一次側に直流電源があり、そこと出力の間にトライアック素子などの高速ON/OFFスイッチ回路と、コンデンサ回路（平滑回路）を設けておくと、このスイッチのON/OFF時間を可変することにより、出力側の電圧を変えることが出来ます。
電気ストーブのスイッチを入れたり切ったりする時間を変えて発熱量を変えるようなものですね。
スイッチング周期を連続的に変化させることで、直流から交流をつくることだってできます。

他にも、電圧レギュレータ素子で制御する方法や、単に抵抗を入れるだけなど、幾つもの方法がありますので、あなたのお手元の電源ユニットがどのような仕様になっているかは現情報から判断できません。

補足

回答ありがとうございます。

私が想像していた電源というのは、実験でよく？使われる定常電流電源です。電圧調整つまみで電圧を変化させて、任意の電流を流す装置です。

回答No.2

lv4u

回答になっていませんが・・・

私は、学生時代、電子回路や発電、送電などの授業を受け、電子回路設計とか、トランスの設計などを授業で学びました。そして半田ごてで、無線機などを作るの趣味だったものです。でも、私も、質問者さんと同様に、電圧については、わからないんです。

現代物理は、まだ世界のことについて未解明な部分が多数あります。すべて分かっているように書籍等で解説してあっても、それが真理とは限りません。暫定的な真理・暫定的な理論にすぎません。
なので、その電圧に対する疑問を長く、大切に持って、質問者さん自身で、解明されることを願っています。