地球に電流が流れる？

質問

ご教授ください。
接地の仕組みがまったく理解できません。
まずは基本的なことから。
単三電池の＋極、－極それぞれにリード線をつなぎ、それぞれを地面に挿しても電流は流れません。なぜでしょうか？理由を教えてください。そもそも直流ではだめなのでしょうか？
子供の質問レベルですが考えても納得できる理屈が思いつきません。よろしくお願いします。

回答No.4

myeyesonly · ベストアンサー

またお呼ばれしてしまいました。m(__)m

これはよく直線の斜めの波形(ノコギリ波)を作る時に用いられる理論なんです。

実際に数字を出すと大変簡単なので、数字計算を書きますので、面倒臭がらずに見てくださいね。

コンデンサでは、

貯る電気の量＝発生する電圧×容量

という式で計算できます。
電気部品の知識はおありのようなので、実際に使われる単位でやります。

1ファラッドのコンデンサに1000ボルトの電圧がかかってる時、1000クーロン(電気量の単位です)の電気を貯めることができます。

式は、
1ファラッド×1000ボルト＝1000クーロン
ですね。

ではさっきの回路で、1ファラッドのコンデンサと電源の間に1000オームの抵抗がつながってるとしましょう。

電気が全然貯ってない状態では、コンデンサには無限大の電流が流れ込む事ができますので、この瞬間に流れる電流は、電源電圧と、抵抗だけで決まります。

1000ボルト÷1000オーム＝1アンペア です。

では、少し時間が経過して、コンデンサーの両端の電圧が1ボルトになったとしましょう。

そうするとその瞬間には、電源電圧からコンデンサーの電圧を引いた電圧を抵抗で割った電流が流れます。

(1000ボルトー1ボルト)÷1000オーム＝0.999アンペア

ではコンデンサが2ボルトになった時は、同様に

(1000ボルトー2ボルト)÷1000オーム＝0.998アンペア

では10ボルトになると
(1000ボルトー10ボルト)÷1000オーム＝0.98アンペア

というわけです。
コンデンサが1ボルトになっても2ボルトになってもほとんど変化しませんね。

です。つまりこの位の時間では、ほとんど1アンペアが流れていると思って大差ないわけです。

この時、コンデンサに貯ってる電気の量は、それぞれ

1ボルト×1ファラッド＝1クーロン
2ボルト×1ファラッド＝2クーロン
10ボルト×1ファラッド＝10クーロン

1秒間に1クーロン流れる電流が1アンペアですから、この間にほぼずっと1アンペアが流れてるのだとすると、10ボルトになるまでの時間は、ほぼ10秒という事になります。

ちなみに、この回路で蓄える事ができる最大の電気量は、先に示したように1000クーロンです。

この1000クーロンに対して、1クーロン、2クーロン、10クーロンという値は大変小さいです。

このように、電源電圧と静電容量で決まる電気量に比較して、貯ってる電気量が十分小さい間は、抵抗と電源電圧できまる一定の電流が流れると考えて扱う事ができます。

「貯ってる電気量が十分小さい」条件を言い替えると、流れ込む電流が小さい、コンデンサの容量が大きい、抵抗が大きい、電源電圧が十分高いという事になります。

お礼

回答ありがとうございました。
そういう意味だったのですね。わかりやすい説明ありがとうございます。
当方、まだまだ不勉強でした。今後もよろしくお願いします。

回答No.3

myeyesonly

お呼びですね。m(__)m
今度はレベルの異なるご質問のようで。(笑)

＞コンデンサとみなす場合・・・ですが、有名な実験ではライデン瓶という物があります。

ガラスの瓶の内側と外側にアルミ箔を貼ったった物の外側のアルミ箔を地面にアースした物です。

非常に簡単な仕掛けですが、ガラス瓶の絶縁耐圧が大きいので、内側の金属と外側の金属の間に相当な電圧をかけることができて、片側が地面につながる為、非常に大きな電気量を蓄える事ができます。

フランクリンがタコをあげて、雷を捕まえた実験では、このライデン瓶に雷を蓄えました。(笑)

雷で充電されたライデン瓶で、ベルを鳴らして電気であることを確認したという実験ですね。
今から考えると危険極まりない実験ですが。

という訳ですので、直流でもコンデンサーとして作用します。
ただ、実際に電気を蓄える為に使う事は非常に少なく、自然現象の中でそういう作用が働く事の方がはるかに多いですね。

雷は、雲と大地がそれぞれの電極となりコンデンサーを形成しますし、地震や地殻変動で岩盤が破壊される時に発生する電気が蓄えられて山の上などからコロナ放電が起きて発光する現象なんかが有名です。

おっしゃるように、コンデンサーでは直流の定常電流は流れないはずですが、定常電流として計算上、扱える場合というのがあります。

つまり、大元の電圧が非常に高く、流れる電流が、コンデンサーの容量に比較して非常に小さい場合は、かなり長い時間、定常電流のような状態で充電されます。

なお、実際に大地を無限大コンデンサーとして扱うのは、テレビやラジオなどのアンテナ回路がほとんどでしょう。

お礼

回答ありがとうございます。
歴史的背景、自然現象の説明わかりやすいです。
ところで、一点補足していただければ幸いです。

＞つまり、大元の電圧が非常に高く、・・・

大元の電圧が非常に高く、電流がコンデンサの容量に対して非常に小さい必要があるのはなぜでしょう？
よろしくお願いいたします。

回答No.2

Xaval

＞ところで、参考書などには地球は容量無限大のコンデンサとみなせるという記載がよくありますが、
＞直流ではコンデンサに定常電流が流せないと思いますがどうなんでしょう？

こちらに解答してみます。
容量無限大なら、直流でも流せますよ。
コンデンサは電気容量があるため、電気量がいっぱいになればそれ以上は流し込めません。
しかし、無限大ならいくらでもＯＫです。
ブラックホールに電荷量を流してるようなものですから。

お礼

回答ありがとうございます。
なるほど、容量無限大だとそうなるわけですね。
電子回路のコンデンサが頭にあったため思いつきませんでした。
ということは・・・
電池(+)～アース～電池(-)といった回路を考えたとき、アースを容量無限大(Ｃ≒∞)のコンデンサと等価とするとＲＣの直列回路になりますよね。このとき回路を流れる電流は
　Ｉ＝(Ｅ／Ｒ)exp(-１／ＲＣ)t　：Ｅは電池の電圧
となり、(Ｃ≒∞)なので
　Ｉ＝Ｅ／Ｒ
となりますよね。
つまり、接地抵抗と線抵抗のみで大地を流れる電流がきまると。(間違ってたらすみません)
ただ地面にリード線を挿すだけだと接地抵抗が高すぎるため電流が流れないんですね。
ありがとうございました。

回答No.1

myeyesonly

こんにちは。
それには、電流というのは、量が変わるものであるという事を知っていただく必要があるでしょう。

地面に差した棒に電池を繋いでも、高感度の電流検出用具を使えば流れているのを観察できます。

豆電球というのはかなり電気を一杯ながさないと光ってくれません。

電球より発光ダイオードがわずかな電流で光りますが、電池一個では光る電圧にならないですね。二つ使う必要があるでしょう。

でもこれでもダメかもしれません。
そうなるとテスターや電流計というメーターが必要になります。

なお、地面に水を撒くとか、電気を流す棒の間隔を狭くすると沢山の電気が流れるようになります。

つまりは電気抵抗という概念が必要なわけです。

お礼

早速の回答ありがとうございます。
地面の抵抗が低ければ単三電池でも閉ループが構成され、電流が流れるということですね。ただし、計測には高感度の検出器が必要となると。
ところで、参考書などには地球は容量無限大のコンデンサとみなせるという記載がよくありますが、直流ではコンデンサに定常電流が流せないと思いますがどうなんでしょう？