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電流の流れる原理とは?

hina_2313さん

2015/11/321:49:35

電流の流れる原理とは?

(高校物理)


最近電磁気の範囲を習っていますが、よくわかりません。

中学校では、直流電源がによって電位差が生み出され、抵抗で電位降差が発生し、電流が流れていました。まあそれは大体わかります。
ただ、超電導物質だった場合は電流が流れないのか?というのは私にとって永遠の疑問であります。

更に、高校の電磁気の範囲、もっというならば交流の電気振動のところでは、コンデンサーとコイルしかない状態で、銅線の抵抗が0で電磁波も発生しないような理想状態ならばそれで交流が延々と流れるとのことですが、なぜでしょう?

例えば、電位差が回路内で生じてないときに、電気振動の場合電流の大きさが最大になります。
エネルギー保存則的にはそれはわかります。だから計算的にはわかる。でも、原理がわからない。

先生は、電流はエネルギーがあるから流れる。今回はそれが磁場だ。とおっしゃっていましたが、よくわからんのです。

電流は電位差というエネルギー差が生みだされたことにより、そこで初めて流れるものじゃなかったのか?

長くなりましたがわかる方、丁寧に説明していただけるとありがたいです。

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ベストアンサーに選ばれた回答

hon********さん

2015/11/323:46:46

まず、電流とは電子の動きです。
電子はあらゆる物体上に存在するし、これが外力を受け一方向に一斉に流れれば電流となります。
また、このとき電子は普通の物体と同じように慣性の法則を持ち、止まっているものは理由もなく動き出すことはなく、動いているものは理由もなく止まったりしません。

それで、電気振動(共振回路)の話ですが、今回の場合はじめから何らかの理由で電流が発生している状態を想定しているはずです。
これに加え、「理想的な」つまり損失0を想定し、電流は流れつづけ、さらにLとCの特性によって向きが変化する、ということです。
この話で重要なのは電流が流れ続けることではなく、「コイル、コンデンサにはエネルギーを出し入れする特性がある」ということです。

「理想的な」と断りが入ってるときは「これは現実での実用的な話でなく、ある何か一つの事象(今回はコイル、コンデンサの特性)をわかりやすく説明するための簡略化なんだ」と思ってください。(今回の話ではR=0なのでオームの法則は成立しません。同時に、現実の交流回路でR=0になることはまずないのでこのことを深く議論することに実用性はありません)


ちなみに、超伝導という話ですが、これも厳密には損失0ではなく実際には電流は減衰します。
ただ、減衰量があまりにも小さいので無視して考える、ということです。


以下蛇足

物理学の世界は現状の世界と完璧に同じ、ではなくあくまでも近似です。
特定の現象に注目し、それ以外のものは無視することによって問題が簡略化され、考えやすくなります。
この、簡略化はやりすぎると現実世界と乖離してそれはそれで役に立たないのですが、いきなり全部ひっくるめて考えても問題が大きすぎて対処できません。


高校物理はまさにその簡略化の基礎の部分で、これだけでは現実の現象を説明できておらず、一般的な感覚からも乖離します。
このため、ここで躓く人はおおいのです。

ここを乗り切るコツは現実の感性を捨てることです。
高校物理の世界は公式が100%成立する別の世界である、ということを念頭に置いて、全ての問題を数式を通じて読み解く事で物理の問題は簡単に解けるようになります。

この公式の世界と現実の世界が近づくのはもっと後のはなしです。

質問した人からのコメント

2015/11/5 20:09:40

回答してくださった皆様、ありがとうございました。
皆様の話を聞いて、先生の話も聞いて。
定性的にも、なんとなくですがわかった気がします。

ベストアンサー以外の回答

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ekn********さん

2015/11/511:52:14

導体では
i=[起電力+電位差]/R

LC共振回路では
R=0
従って[i]が有限値ならば[起電力+電位差]=0
電流[i=0/0]はあらゆる値で有り得る。

例えば電位差0の時
起電力=0
電荷=0(よって電界のエネルギー最小)
電流=最大(よって磁界のエネルギー最大)

mad********さん

2015/11/407:30:59

先生の時期の説明は大雑把過ぎです!
とリあえず無視しておきましょう、電流をあなたはどんなイメージで捉えますか、水流ですか、光ですか?

これが解決のポイントになると思います!
導線内の電子の移動速度なんて人の歩み程度の速さらしいですよ、ただし作用は光速でしかも導体・空間を区別無く球状に広がるので遠く離れた電球も瞬時に作動するそうです。

コイルとコンデンサの理由はこれでイメージ完了ではないでしょうか。
超伝導も同じですね、電位差は出来るんです、時間差があるから。

このことから、電流はその場所で移動しない状態(振動)であっても流れると解釈しなくてはいけない事になります。

✿説明のためのたとえ話はその場だけの使い捨てにして持ち越さないことが誤認を防ぐことになります。
磁気の話はまた今度の機会に。

2015/11/400:35:52

あまり質問の意味が判然とませんが一応説明してみます。

1.
超伝導体に流れる電流は超伝導体の抵抗(無いのだが)のような電気的
性質で決まりません。抵抗をかますか、定電流源などの外部回路で決定

されます。多分、定電圧源をつなぐと、大電流が流れ、回路全体が無事
なら、超伝導が解除されて、発生した抵抗による電流値になります。

2.
コンデンサーとコイルの回路の解析は微分方程式を解けば簡単に
解け、電流解を簡単にして i=Asin wt となります。すると、

コンデンサの電圧(これも簡単にして)は
Vc=(∫idt)/C=-(Acos wt)/(wC) となります。この、iとVcは位相が

ずれており、電流が大きくなる時は、コンデンサにたまった電荷が
放電され、コンデンサにたまった電界エネルギー(εE²/2)が、コイルの

電流が作る磁界のエネルギー(Li²/2)となって、コイルにたまります。
逆に、電流が減少するときは、コイルの磁界エネルギーが放出され、

コンデンサにたまって、電界エネルギーとなります。
つまり、コイルとコンデンサの間をエネルギーが行ったり来たり

するので、永遠に振動を繰り返すのです。バネの重りが、位置エネ
ルギーと運動エネルギーの交換をして振動するイメージです。

3.
電流が流れる原因・発端は色々な起電力です。この起電力により
実際に流れる電流は各素子の電気的特性によって決まります。

抵抗なら、オームの法則、コイルやコンデンサでは時間変化と
回路の他の素子の電気的特性によって決まります(時間変化を

正弦波として、定常状態を仮定すれば、R,C,Lのみに限れば
複素数を使ってオームの法則によって解ける)。

注意として、導線に流れる電流は、超伝導体と同じで、回路の他の
素子により、キルヒホッフの電流保存則によって決まります。

mab********さん

2015/11/322:38:26

抵抗があるときは電圧がないと進みません。
抵抗がない場合は、力学で摩擦がなければ床の上を滑り続けるように、導線内の電子は等速で運動し続けます。

実際には導線にも僅かに抵抗はあり、電圧降下が僅かにあります。
しかしそれはとても小さいので無視できます。

オームの法則というのはいろんな場合に使えますが、どんな場合にも使えるわけではありません。
超電導には超電導の物理があるんでしょう。
そもそも、E=RIなので、電圧と抵抗が0なだけで、電流が0になるわけではなく、電流がどんな大きさになるのかは高校までの知識ではわかりませんね。

kii********さん

2015/11/322:17:18

それだけ電磁気の分野を理解しているならそんなに深く考えなくてもいーですよ

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