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電子が電流として流れる時の移動速度は1秒に数ミリで,真空中では光速未満。自由電子は導体内をランダムに移動し,電圧・電場がかかると一斉に移動

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回路内,および真空中での電子の移動についてメモ。


電気回路の中を電子が移動する時の速度は?

まず自由電子とは,
原子の周りの軌道を回っている電子が,
その「軌道を離れて動く」こと。

そして,自由電子が一つの方向に固まって流れる時に,その流れを電流と呼ぶ。(流れる向きの定義は逆だが)


これは,量子論的な電子のイメージとは異なるが,初歩の電子のイメージはこれでよい。

電気とは
http://www9.wind.ne.jp/fujin/diy/denk...

  • 電子は原子核の周囲を回転するだけですが、何かの拍子に軌道を離れる場合があります。
    • この軌道を離れた電子を自由電子といいます。
    • 電気とはこの自由電子の動きをいう


electricity_facts
http://www.kokukagaku.jp/Cafe/electri...

  • 多くの物質では陽子も電子も数は一定で、 電子は原子核の周囲を回転するだけ
  • が、何かの拍子に電子が軌道を離れる場合があります。 この軌道を離れた電子を自由電子といいます。


電気回路で電流がながれるとき,一つ一つの電子の移動距離は短い。

金属の中を1秒間に数ミリ程度。

speed of electric current
http://www.mogami-wire.co.jp/puzzle/p...

  • 銅線の中の自由電子は、電流が流れない状態、つまり、電界中に置かれていない場合も、1.3e6 m/S の速さでランダムな方向に動いています。
    • この速度は「フェルミ速度」と呼ばれ、絶対温度 0 度でも、ほとんど変わり無く存在 するもの
    • 熱エネルギではなく、量子力学の不確定性原理に由来します
    • 自由電子全体の平均的な流れ、つまり「偏流速度」(drift velocity) について考えると,この状態では、電流は存在しません。
  • ここで、導体の両端に電圧をかけると…
    • 自由電子は加えられた電界に比例して加速され、どんどん速くなります
    • が、衝突により散乱され、無限に速くなることはなく、一定の平均速度に落ちつきます。
    • つまり、衝突は、一種の摩擦力として機能
  • 銅の場合、自由電子の平均偏流速度は、 4.62e-3 (m/s)/(V/m)
    • 長さ 1 m の銅線の両端に 1 V の電圧を加えたとき、自由電子の長さ方向の速度は 4.62 mm/S ということ


一つ一つの電子の移動距離は短いが,しかし電子の数が多いので,全体としての電流の流れが大きくなる。

電気回路―電子の移動?電気回路で電流が流れるのは...
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/...

  • 電場の力を受けて流れても、すぐ原子にぶつかって止まって、また動いてを繰り返すのでその動きはとても遅い
  • ところが、そういった電子(負電荷)が単位時間あたりに、ある導体面をたくさん通過したら、それだけその導体に電流がたくさん流れたことになります。
  • 一つの電子の動きは非常に遅いです。
    • ただ、銅とかアルミとかの良導体にある電子の数は膨大なので、数で電流を稼いでいるのです。


電気回路の中を電子が動くとき,
ドミノ倒し・玉突き事故のように順番に動くのではない。

全ての電子が一斉に動く。

なぜなら,全ての電子がマイナス電荷であり,ぜんぶの電子がいっぺんに電場の影響を受けてローレンツ力で移動するからだ。

電気の知識 電流 篇|株式会社YAMABISHI
http://www.yamabishi.co.jp/knowledge/...

  • 電気回路のスイッチがONされ、電圧がかかると、自由電子は一斉に動き出します。電気の流れの始まりです。
    • これは隣の自由電子に押されて移動しているのでも、引っ張られて移動しているのではありません。
    • 「せーのっ!」で同時に移動します。
  • そしてスイッチを切られ、電圧がなくなるとこの移動は終わります。


電子はたしかに移動する。

一方,陽子は単独で移動しない。
だから,電流というものは単なる概念であって,実在はしない。

電流の逆方向に電子がながれている。

電流の概念および実際の自由電子の流れる方向について - 電気・電子工学 | 教えて!goo
http://oshiete.goo.ne.jp/qa/8609812.html

  • 「電子の流れ」と「電流」は似ているようで全く別のものです。
    • 「電流」は空想上の流れであり、実在しません。
  • 正の電荷を持った電気素量(正の電荷を持つ == 陽子)がながれていると思ってよいのでしょうか?
  • →NO。陽子は単独では流れません。

真空中を電子が移動する時の速度は?

真空中でも電子は移動する。

ただし,電気回路のような金属の導体と比べると自由電子が少ない。
なので,よっぽど高い電圧をかけないと真空中で電子は移動できない。

高電圧をかければ,真空に近い空気中・ガス中で電流が流れる。
これが真空放電である。


真空放電の例として,陰極線によって電子が発見された。

1-1-3-1 陰極線 ■わかりやすい高校物理の部屋■
http://www.wakariyasui.sakura.ne.jp/1...

  • 電流は,普通は導体の中の自由電子が動くものです。
  • 気体中には自由電子がわずかしか存在しないので, 普段は電流が流れません。
    • しかし強い電圧を加えると, わずかな自由電子が加速され他の原子に衝突し、原子を陽イオンと電子に電離


陰極線
http://www.max.hi-ho.ne.jp/lylle/dens...

  • ふつう、空気は電気を通しません
    • が、非常に高い電圧を加える(大量の電気をたくわえる)と放電します。


電子 - Wikipedia
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%B...

  • 電子の大きさ(内部構造)について
    • 標準模型では0とされる
    • が、大きさを持つかどうか・内部構造を持つかどうかは判明していない。
  • 電気伝導体内を流れる電流の担い手は、特定の原子の原子核にとらえられていない自由電子(伝導電子)である
    • 特に半導体においては、伝導電子だけに注目して単に「電子」と表現する
  • 電子の発見は陰極線の発見に端を発する。
    • 1897年に、イギリスの物理学者ジョセフ・ジョン・トムソンは磁気と電気をもちいて陰極線の正体が負に荷電した粒子、すなわち電子であるということを示した。
    • この電子の発見は原子モデルに大きな変化をもたらした。


真空放電
http://mori-yohsuke.sakura.ne.jp/auro...

  • 真空ポンプでガラス管内の空気を抜いていくと,ガラス管内が光り出すことが確かめられたのです。真空放電と呼ばれる現象です。


真空中を電子が移動する速度は,電気回路よりも速い。

なぜなら,真空中と言うのは物が何もないので,障害物がない。


だから電子は電圧の大きさに応じて,速いスピードで移動するが,光速までは到達しない

光速で移動するのは電子ではなく光子である。そこを混同しないように。

電子と光子 いんみ〜の部屋/ウェブリブログ
http://inme.at.webry.info/201406/arti...

  • 電子の速度 0 < v < c
    • 導線内:10-5 m/s
    • 真空中・原子内:10^6 m/s (光速の300分の1)


電子が真空中を飛ぶときの速度は、光の速度と一緒ですか?電子は質量が...
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/...

  • 電子が真空中を飛ぶ速さはかける電圧によって異なりますが、 光速に達することはありません。


電子が移動するほかの現象

酸化還元も電子の移動によるもの。

電子移動反応 - Wikipedia
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%B...

  • 酸化還元反応は、必然的に素反応として電子移動反応を含む。


また,中性子が崩壊してβ線が生まれるときも,電子が飛び出ている。

Lec-放射線
http://laboratory.sub.jp/phy/33.html

  • 中性子は単独で存在していると非常に不安定で半減期は10分です。
  • 中性子が崩壊すると、陽子と電子ができます。
    • このような崩壊をβ-崩壊といいます。

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