電気や電波の移動する早さって？

質問

教えてください。電気の伝わる早さって？　このコーナーをだいぶ読みましたが、いまひとつ実感が無いのです。　電線の中を通る電子や電流の移動の速さは数１０センチ／秒ほどと聞きました。
１００ＫＭの長さの電線に電流を流し始めたとき、電線の出口から電気が出てくるまでどのくらいの時間がかかるのでしょうか？
電気の通りにくい空気中を通る電波は、東京からニューヨークまで　最初の電子（信号）が届くのに、何時間くらいかかるのでしょうか？最初の電子が届いた後、二番目の電子が届く間は、何秒かあるのでしょうか？
なぜ　途切れないように感じるのでしょうか？
かかる時間は「瞬時」とかでなくて、具体的な数字で、何時間などと教えてほしいのです。
質問の仕方が悪くてごめんなさい。

回答No.6

ahoahoaho3 · ベストアンサー

>「直流電流」は振動や波ではないと思うのですが、電子の移動速度と比べてなぜそんなに高速で流れるのでしょうか？

あまり正確ではないたとえ話ですが、
お店の前にお客さんの長蛇の列ができているとします。
お店が閉まっていてお客さんが待っているとき -> 電圧をかけていない状態
お店がお客さんをさばき始めると少しずつ列が動き出します -> 電圧をかけた瞬間

　自分が列の後ろの方にいると、お店までたどり着くには時間がかかりますが、
　列の前の方にいる人はすぐに品物を受け取って出てゆきます。

１つの電子に着目すると電線の端から端まで移動するのに時間がかかり
ますが、電線中の電子全体を眺めると電圧をかけた後、短い時間で電流は
ながれます。１つ１つの電子の移動距離が短くても、全体に同じ方向に
動くと電流となるからです。

　例え話に戻りますと、一番先頭の人が動いてから２番目、３番目の人、
　と動きが伝わる(前の人が進んだから自分も進む)という状態の伝わる
　速さ(電圧の伝わる速さ)が、例えば 1m / 5 ナノ秒 という感覚です。
　直流電流のかけ始めは過渡現象なので、少し違うかもしれませんが、
　イメージはこのようなものだと思います。

お礼

ahoahoaho3さん,blue-wingさん,vutiさん,rukukuさん,rabitcatさん,91091さん,sanoriさん、皆さんありがとうございます。
個々の電子の移動速度は遅くても、電界（たぶん電位差のある場のこと？）の情報はきわめて高速（光速？）で伝わる→（電子がトコロテン式に移動する）→電流はすぐに流れ出すようにみえる→これは交流でも直流でも同じ理由（有限長の１本の電線だけでであっても）であること。
電波は磁界と電界が極めて高速（光速にちかい？）で伝播する（情報なのか粒子的移動のエネルギーなのかわかりませんが）から、情報を含んだ電波そのものの進行速度は光速に近い高速であること。
電流や電波の話では、移動する早さというのはどちらも光速に近いはやさであること。なぜそんなに早いのかは理由は無く、事実であること。電界や磁界の変化の様子の情報はきわめて高速で伝わること。そんなことがわかりました。みなさんありがとうございました。なによりも、勉強の仕方を教えていただけたことを感謝しています。

回答No.12

ahoahoaho3

質問者さんを介さずに議論してしまったので、僭越ながら、
　混乱されないよう整理しますね。

>５Ｖに帯電している導線の両端に、（実際には無理ですが）それぞれ１０Ｖ電源と０Ｖ電源とを
>同時につないだ、というイメージです。

あまり普通ではない状況というのは共通の理解でよさそうですね？
漏電したときにこのような状況に遭遇しますが…

>（こちらのほうが普通でしょうが）
>あらかじめ導線の一端をＧＮＤにつないでおき、
>しかるのち、もう一端に１０Ｖをつないだ場合も、同じ話になるので、
>ＧＮＤ側の電子が動き始めるまで
>導線の長さ÷導線中の光速
>の時間がかかりますね。

はい、正しいと思います。私もNo.5の方もこのような状況について
回答しています。

恐らく、質問の本質は電子の動く速度よりも速く電場が伝わるのは
何故かということだと思いますが、No.3 の方の参照サイトにあるとおり、
電場は導体中ではなく、導体が囲む絶縁体の中を電磁波として
伝わるから、というのが私の理解です。

お礼

ahoahoaho3さん,blue-wingさん,vutiさん,rukukuさん,rabitcatさん,91091さん,sanoriさん、皆さんありがとうございます。
個々の電子の移動速度は遅くても、電界（たぶん電位差のある場のこと？）の情報はきわめて高速（光速？）で伝わる→（電子がトコロテン式に移動する）→電流はすぐに流れ出すようにみえる→これは交流でも直流でも同じ理由（有限長の１本の電線だけでであっても）であること。
電波は磁界と電界が極めて高速（光速にちかい？）で伝播する（情報なのか粒子的移動のエネルギーなのかわかりませんが）から、情報を含んだ電波そのものの進行速度は光速に近い高速であること。
電流や電波の話では、移動する早さというのはどちらも光速に近いはやさであること。なぜそんなに早いのかは理由は無く、事実であること。電界や磁界の変化の様子の情報はきわめて高速で伝わること。そんなことがわかりました。みなさんありがとうございました。なによりも、勉強の仕方を教えていただけたことを感謝しています。

回答No.11

sanori

再びお邪魔します。
＃１０さんのご回答関連です。

＞＞＞
　両端に電圧をかけた場合は出口と呼んでいる方の電子も直ちに電場を
　感じますので、０秒ですが、片側に電圧をかけたときに逆端の抵抗に
　電流が流れるまでには時間がかかります。

ええ。そうですね。

前回回答では、
「簡単のため、仮に、初期状態で導線が５Ｖに帯電、電源は片方が１０Ｖ、他方が０Ｖとしましょう。」
という前提で書きました。
つまり、ＧＮＤも"０Ｖの電源"と見なしています。

５Ｖに帯電している導線の両端に、（実際には無理ですが）それぞれ１０Ｖ電源と０Ｖ電源とを
同時につないだ、というイメージです。

初期状態で導線が"０Ｖに帯電"していれば、ＧＮＤ側の電子が動き始めるまで
導線の長さ÷導線中の光速
の時間がかかりますし、

（こちらのほうが普通でしょうが）
あらかじめ導線の一端をＧＮＤにつないでおき、
しかるのち、もう一端に１０Ｖをつないだ場合も、同じ話になるので、
ＧＮＤ側の電子が動き始めるまで
導線の長さ÷導線中の光速
の時間がかかりますね。

お礼

sanoriさん、ahoahoaho3さん,blue-wingさん,vutiさん,rukukuさん,rabitcatさん,91091さん,皆さんありがとうございます。
個々の電子の移動速度は遅くても、電界（たぶん電位差のある場のこと？）の情報はきわめて高速（光速？）で伝わる→（電子がトコロテン式に移動する）→電流はすぐに流れ出すようにみえる→これは交流でも直流でも同じ理由（有限長の１本の電線だけでであっても）であること。
電波は磁界と電界が極めて高速（光速にちかい？）で伝播する（情報なのか粒子的移動のエネルギーなのかわかりませんが）から、情報を含んだ電波そのものの進行速度は光速に近い高速であること。
電流や電波の話では、移動する早さというのはどちらも光速に近いはやさであること。なぜそんなに早いのかは理由は無く、事実であること。電界や磁界の変化の様子の情報はきわめて高速で伝わること。そんなことがわかりました。みなさんありがとうございました。なによりも、勉強の仕方を教えていただけたことを感謝しています。

回答No.10

ahoahoaho3

inisisi 様、sanori 様

　少し、補足させてください。sanoriさんのご説明で正しいと思うのですが、
　ご質問の意図と少し違う気がします。横槍のようで失礼かもしれませんが、
　ご容赦ください。

>１．導線の両端に電圧をかける。

　多分、質問者さんは片側に電圧をかけることを想定してらっしゃると
　思います。反対側は例えば抵抗でつないである。

> ご質問の趣旨は、導線の端っこのことですから、答えはゼロ秒です。

　両端に電圧をかけた場合は出口と呼んでいる方の電子も直ちに電場を
　感じますので、０秒ですが、片側に電圧をかけたときに逆端の抵抗に
　電流が流れるまでには時間がかかります。これは sanori さんもおっ
　しゃているように導線中の光速で、絶縁体の誘電率できまり、およそ
1m/5nS です。
　直流電圧もスイッチを入れた瞬間は電圧が時間変化しますので、安定
　状態になるまでは交流と同じです。

　その他の sanori さんのご説明は正しいと思います。

お礼

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個々の電子の移動速度は遅くても、電界（たぶん電位差のある場のこと？）の情報はきわめて高速（光速？）で伝わる→（電子がトコロテン式に移動する）→電流はすぐに流れ出すようにみえる→これは交流でも直流でも同じ理由（有限長の１本の電線だけでであっても）であること。
電波は磁界と電界が極めて高速（光速にちかい？）で伝播する（情報なのか粒子的移動のエネルギーなのかわかりませんが）から、情報を含んだ電波そのものの進行速度は光速に近い高速であること。
電流や電波の話では、移動する早さというのはどちらも光速に近いはやさであること。なぜそんなに早いのかは理由は無く、事実であること。電界や磁界の変化の様子の情報はきわめて高速で伝わること。そんなことがわかりました。みなさんありがとうございました。なによりも、勉強の仕方を教えていただけたことを感謝しています。

回答No.9

sanori

まだ適切な回答が出ていないように思いますので投稿させていただきます。

導線の両端に電圧をかけたとき、こういう順番で「出来事」が起こると考えてください。
１．導線の両端に電圧をかける。
２．導線の中に非常に速いスピードで電界（電場）が伝わる。
　　（伝わるスピードは、導線中における光速）
　　ただし、まだ電界は１００％伝わりきっていない。
３．個々の電子は、自分がいる場所の近傍（＝すぐ前とすぐ後）に（ゼロより大きい）電界が
　　かかった時点から移動を始める。（放電と同じ）
４．電界が導線内に均一に伝わり終える。
５．電子は、どこまでも速いスピードを目指す。（放電と同じ）
６．しかし、電子は導線中で散乱される（＝邪魔される）ため、過渡状態を経て、
　　やがて一定の速さ（定常電流）に落ち着く。（オームの法則）

簡単のため、仮に、初期状態で導線が５Ｖに帯電、電源は片方が１０Ｖ、他方が０Ｖとしましょう。
すると、２から３までの時間は、電子がいる場所の前後にゼロより大きい電界が発生するまでの時間です。
導線の端っこでは、ゼロ秒です。
導線のど真ん中では、導線の長さの半分÷導線中の光速　です。
ご質問の趣旨は、導線の端っこのことですから、答えはゼロ秒です。

１～６をカーレース（単純に直線コース）にたとえてみましょうか。

１．信号が赤から緑に変わる。（暗い緑から明るい緑へ徐々に変わる）
２．緑の信号は光速で伝わるので、全てのドライバーの目にほぼ同時に認識される。
３．全てのドライバーは、ほぼ同時にアクセルを踏んでスタート。
４．（緑の信号の明るさが１００％になる。）
５．ドライバーは、どこまでも速いスピードを目指し、フルスロットル。
６．しかし、摩擦、空気抵抗、クルマ内部の機械摩擦、エンジンブレーキなどの効果で、一定のスピードに落ち着く。

お礼

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個々の電子の移動速度は遅くても、電界（たぶん電位差のある場のこと？）の情報はきわめて高速（光速？）で伝わる→（電子がトコロテン式に移動する）→電流はすぐに流れ出すようにみえる→これは交流でも直流でも同じ理由（有限長の１本の電線だけでであっても）であること。
電波は磁界と電界が極めて高速（光速にちかい？）で伝播する（情報なのか粒子的移動のエネルギーなのかわかりませんが）から、情報を含んだ電波そのものの進行速度は光速に近い高速であること。
電流や電波の話では、移動する早さというのはどちらも光速に近いはやさであること。なぜそんなに早いのかは理由は無く、事実であること。電界や磁界の変化の様子の情報はきわめて高速で伝わること。そんなことがわかりました。みなさんありがとうございました。なによりも、勉強の仕方を教えていただけたことを感謝しています。

回答No.8

y_u_t_i

no2です。

>>電流の流れの向きは電子の流れの逆を言うそうですが、電子がそんなに遅くしか動かないのに、なぜすぐなのか、わからないです。

電流と言うのは、はっきり言うと実際流れていません。
電流はプラスとマイナスを人間が勝手に決めて、プラスからマイナスに流れるものと仮定していただけで、
実際色々調べるうちに実はマイナス側からプラス側に電子が動くことで電気が使えることが後からわかってきたためです。

電流が流れると言うのは仮定の話で、実際はマイナスからプラスに電子が流れていることだけが事実です。

お礼

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個々の電子の移動速度は遅くても、電界（たぶん電位差のある場のこと？）の情報はきわめて高速（光速？）で伝わる→（電子がトコロテン式に移動する）→電流はすぐに流れ出すようにみえる→これは交流でも直流でも同じ理由（有限長の１本の電線だけでであっても）であること。
電波は磁界と電界が極めて高速（光速にちかい？）で伝播する（情報なのか粒子的移動のエネルギーなのかわかりませんが）から、情報を含んだ電波そのものの進行速度は光速に近い高速であること。
電流や電波の話では、移動する早さというのはどちらも光速に近いはやさであること。なぜそんなに早いのかは理由は無く、事実であること。電界や磁界の変化の様子の情報はきわめて高速で伝わること。そんなことがわかりました。みなさんありがとうございました。なによりも、勉強の仕方を教えていただけたことを感謝しています。

回答No.7

91091

例えば、銅の場合は、銅原子１個につきひとつづつ”伝導”電子があります。１０Ａの電流が１０番の電線（直径2.6ｍｍ）に流れるとき、伝導電子の平均速度は0.14ｍｍ/ｓとなり、数１０センチ／秒というのは、相当すごい電流です。（銅の原子量63.6ｇ、銅の比重8.9として簡単に計算できます。）でも、電子の速度というのはこういうふうにして出された予測結果であって、実際に電子が移動している様をイメージするのは困難かと思います。
電子が動くには、電界が必要で、電圧をかけることにより、電界が発生するのですが、電界の伝播速度というのは、マックスウエル方程式により、光速で一定になります。導体内に具体的にどうマックスウエル方程式を適用すればよいのかよくわかりませんが、おそらく光速の結論はかわらないと思います。

お礼

91091さん,ahoahoaho3さん,blue-wingさん,vutiさん,rukukuさん,rabitcatさん,sanoriさん、皆さんありがとうございます。
個々の電子の移動速度は遅くても、電界（たぶん電位差のある場のこと？）の情報はきわめて高速（光速？）で伝わる→（電子がトコロテン式に移動する）→電流はすぐに流れ出すようにみえる→これは交流でも直流でも同じ理由（有限長の１本の電線だけでであっても）であること。
電波は磁界と電界が極めて高速（光速にちかい？）で伝播する（情報なのか粒子的移動のエネルギーなのかわかりませんが）から、情報を含んだ電波そのものの進行速度は光速に近い高速であること。
電流や電波の話では、移動する早さというのはどちらも光速に近いはやさであること。なぜそんなに早いのかは理由は無く、事実であること。電界や磁界の変化の様子の情報はきわめて高速で伝わること。そんなことがわかりました。みなさんありがとうございました。なによりも、勉強の仕方を教えていただけたことを感謝しています。

回答No.5

rabbit_cat

すでに出てますが、電線上の電流が伝わる速さは、光の速さの７割～８割程度です。（普通の材料でケーブルを作った場合）

電線ではなくて、例えば、基板上の配線とかだと、比誘電率が高い＆抵抗が大きいので、もうちょっと遅くなります。＃４で出てますが、ざっと 5ns/1m の遅延として、基板の設計をすることが多いです。（秒速20万キロメートル）

お礼

回答ありがとうございます。
想像力が不足していてすみません。
「電線上の電流が伝わる速さ」と「電子の移動する早さ」に違いがあるのが理解できないのです。

回答No.4

ahoahoaho3

まず、電波は電子の流れではなく、電場と磁場の振動ですので、
東京からニューヨークまで電子が届くわけではありません。
電波の速度は光の速度を空気の屈折率で割った値になります。
空気の屈折率は　(0℃,1気圧) 1.000292　なので、ほとんど光速で
伝わります。割り算はお任せします。

次にケーブルに交流電流を流した場合ですが、この場合はケーブルの
絶縁物質の比誘電率の-1/2乗に比例した速度で信号が伝わります。
伝送線の方程式で調べてみてください。大体 1m 信号が走るのに 5ナノ秒
程度だとおもいます。

http://radphys4.c.u-tokyo.ac.jp/~k-komaki/kougi/wave06e.pdf

お礼

回答ありがとうございます。
電波は波だから、その伝わる速さは、光速と同じ。というところを、「そうなんだ」と思うことにして、「交流電流は振動（情報？というのでしょうか？）」というのも同じだと思うことにして、でも、「直流電流」は振動や波ではないと思うのですが、電子の移動速度と比べてなぜそんなに高速で流れるのでしょうか？

回答No.3

rukuku

はじめまして

まず、「電気」と「電波」とは別々に考えなければなりません。

まず、電気信号の速度ですが、これは「光速（３０万km/秒）」と同じです。電子一つ一つの移動は遅くても、「電圧が変化した」という情報が光速で電線を伝わっていきます。
http://www.geocities.jp/signalintegrityjp/signal-prop.htm#sokudo-denki
従って、電気信号が伝わる時間は「通信ケーブルの長さ／光速」になります。
机の片端をポンと叩いたら、反対の端に振動が伝わっていきます。でも、机を構成する分子が動いているわけではありません。分子はその場でちょっと行ったり来たりしますが、さほど動きません。でも、最初の分子は隣の分子を押したり引っ張ったりします。隣の分子がさらに隣の分子を引っ張ったり押したりして…と、分子はそんなに動かなくても、振動だけは伝わっていきます。

電気信号もそれと同じで、一つ一つの電子の動くスピードは遅いのですが、振動は分子の動くスピードよりもずっと速く伝わっていきます。

電波は光（可視光）と同じ「電磁波」の一種ですので、光速で伝わっていきます（正確には、空気中ではちょっと遅くなるのですが、あまり気にしないでください）。
＞東京からニューヨークまで
この問題は１つの解答を出すことはできません。
なぜなら、東京からニューヨークまで「まっすぐ」電波をとばそうとしますと、地球の丸みにじゃまされてしまいます。
そこで、東京からニューヨークまで電波をとばすには
１．人工衛星で中継する
２．地表と電離層（上空の電波を反射する層）の反射を利用してジグザグに進む
の２つが考えられます。
http://www.lifekernel.ne.jp/elec/wave.html
http://homepage3.nifty.com/funahashi/suugaku/suu42.html

信号が伝わる時間ですが「瞬時」ではないものの、使う電波によって１のルートを利用するか２のルートを利用するかかが変わってきます。また１の場合は衛星の位置、２の場合は反射の回数が
特定できませんので、正確に「何秒」とはいえません。
でも、光速が秒速３０万kmで地球の真裏までは２万kmですので、多少「回り道」をしても１秒以内には届くと思います。

お礼

回答をありがとうございます。
音と同じように、空気は移動しなくても、音（情報）は伝わる。というのとおなじでしょうか？　音は向かい風のときには伝わらないけど、「電子が振動しているという情報？」は、光のはやさでつたわるということでしょうか？　「情報？って、変化の様子と思いますが」なぜ、光速で伝わるのでしょうか？　引力や磁石の世界も不思議です。

回答No.2

y_u_t_i

個人電器店勤務のものです。

私も学生時代同じ疑問にぶつかりました。

電波のほうはわかりませんが、電気のほうの話を。
まずは、電線の距離は関係ありません。抵抗は長くなれば大きくなりますが。
電気と言うのは電子の流れで発生します。
その電子と言うのは電導物（ここでは電線）の中に詰まっていて、それが動くことによって発生します。

>>１００ＫＭの長さの電線に電流を流し始めたとき、電線の出口から電気が出てくるまでどのくらいの時間がかかるのでしょうか？

１０ｃｍの電線でも１００ｋｍの電線でも、地球から月までひっぱった電線でも同じです。
電流を流し始めたのと同時に流れます。

お礼

回答をありがとうございます。
＞電流を流し始めたのと同時に流れます。
電流の流れの向きは電子の流れの逆を言うそうですが、電子がそんなに遅くしか動かないのに、なぜすぐなのか、わからないです。