科学の知恵袋コミュの科学豆知識　物理篇(４)　自由電子の速度

　解答が随分と遅れてしまいました。
　ＱＵＩＺ　１の解答と解説です。

　答えから先にいうと、答えは?の毛虫の動く速さとなります。

　そんなバカな！
　と思うでしょうが、解説は以下のとおりです。

　さて、自由電子の速度ですが、それを考える前に電流とは何かというのを少し考えてみましょう。

　といっても、みなさんお分かりのように、電気が伝わるのは導体に流れる電流のためで、そしてその電流というのが導体内の自由電子の流れであります。

　導体内部の自由電子のことを考えるために、銅を例にとってみます。
　日常的な経験からは、スイッチを入れた瞬間に電流が流れると思われますが、実際にはスイッチを入れたという情報は、光速で伝わります。
　銅線の長さを１０ｍとすると、約３億分の１秒かかるわけです。
　これは、「電気の伝わる速さ」です。

　自由電子の速度は、高校物理でも出てくる、

　<ｖ>＝Ｉ/(e＊ｎ＊Ｓ)　　(Ｉ；電流、e；電子の電荷、ｎ；電子数密度、Ｓ；導線の断面積)

　で表されます。
　この式から分かるように、例えば、断面積１ｍ㎥の銅線に１Ａの電流が流れている時の速度は０．０７５ｍｍ/ｓとなり、これはカタツムリや毛虫の動く速度と変わらないくらい遅いことが分かります。

　では、なぜ電流は光速に近い速さで伝わるのか？

　その理由は自由電子の数にあります。

　銅の場合、１㎥中の電子密度は、８．５e＾２８個なので、長さ１ｍ、外径０．５ｍｍの銅線では、１．７e＾２２個という、莫大な自由電子が存在することになります。
　銅は１価の金属ですから、自由電子の個数と銅イオン（原子）の個数は同じです。

　これだけ大量にある自由電子の一つ一つが電流を運ぶと考えるのではなくて、電界に置いた瞬間にその流れが揃って、自由電子を押し出していくと考えればいいわけです。

コメント(1)

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[1] mixiユーザー 12月14日 20:51

毎度毎度分かりにくい説明で申し訳ないですm(_ _)m

もう少し分かりやすい例を挙げるとすると、
遠隔地に電話の声が瞬時に伝わるように、なぜ電流は瞬時に伝わるかというと、きわめて長いトコロテンを押し出すのと同じと考えてもらえればいいです。
例えば、東京から博多まで繋がった新幹線があれば、東京で発車すると同時に博多でも動きますよね。
そういうイメージです。

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