電子回路の初歩的質問

質問

お恥ずかしいことに小学校で教わる内容が理解できません。

・なぜ直列回路に流れる電流は任意の点で同じなのか
・電池を繋げた直後からの電子の動きを正確に知りたい
・そもそも起電力はどのようにして測るのか
　V=RIで測るんでしょうがRを使うにはRを知らなければならず
　RはV,Iの比例関係から出す。卵が先なのかニワトリが先なのか
　みたいな感じでよくわかりません。
・なぜ起電力の分だけちょうど電圧降下するのか
　こうなるようにわざと論理仕掛けがあるとは思いますが。

どなたか教えてください。
これらの内容を説明してある書籍またはサイトなどを教えて
頂けると嬉しいです。

回答No.2

noname#74145

＞なぜ直列回路に流れる電流は任意の点で同じなのか

・金属の中を電流が流れるという事は表面が電子で覆われた原子で満たされた空間が有ってその隙間をマイナス電子がチョロチョロと毎秒0,1ミリの速度ですり抜けて行くというイメージです。どの電子がどの原子に属しているかなんて全然分からない感じですね。
電子は電界によって動かされますが仮に任意の点で電流値が異なるとすれば金属線内の場所によって電子の密度が異なると言う訳です。
しかし電子同士は同じマイナスの電荷を持っていますのである部分が密度が高ければ当然反発して低いほうに押しやる力が働きます。つまり極端に短い時間は別として計測器で観測できるレベルの時間では平均化されて違いは認められないということです。しかし実際は安定したものではなく不規則な動きによる不安定電流と言ったところでしょうか。その証拠に例えばアンプからシャーという音が出ますがあれは電子の不規則な運動が原因です。

＞電池を繋げた直後からの電子の動きを正確に知りたい

・先ほどの説明でスイッチを入れた瞬間光速の60%とか言うレベルで電界が金属線の中を伝わりその電界によって電子が加速され、固定された金属原子の電子に邪魔されながらも隙間をチョロチョロと毎秒0,数ミリで動く。こんな感じでしょうか。但しこの時の電子の平均速度は電子の電荷、電線中の電子の密度、電線の断面積、電流の大きさなどで決まります。

＞そもそも起電力はどのようにして測るのか

・アナログテスターで測る場合は実際は超高感度の電流計に直列に数百キロオームの抵抗をいれて流れる電流を電圧に読み替えて表示します。
その前に電流とは１クーロンの電荷が１秒間で移動している場合これを１アンペア流れていると言います。
電子一個が1.6× 10マイナス19乗と実験で定義されましたのでこれから電流、抵抗、電圧が決まります。

＞なぜ起電力の分だけちょうど電圧降下するのか

・例えば電池があり抵抗が直列に接続されている場合電池の電圧と抵抗両端の電圧が同じになるのはなぜ？という疑問かと思います。
電池電圧が抵抗に直接つながっているのだから同じにならなければ矛盾が出ます。同じという前提で抵抗にはＥ＝ＩＲと言う式が成立する訳ですね。
仮に電池電圧が10V、負荷の電圧降下が5Vとすれば大きな矛盾があります、その差5Vは一体どこへ行ったの？と。

回答No.1

noname#65902

> なぜ直列回路に流れる電流は任意の点で同じなのか

電流は、よく水流に例えられます。通り道が１本であれば、
どこの点も水量は等しい、ということです。

> 電池を繋げた直後からの電子の動きを正確に知りたい

これは質問でないのでパス

> そもそも起電力はどのようにして測るのか

旧来の1.電磁コイル使用のメータを使う方法と
2.電子回路のみを使う方法では異なります.

前者1.は...
既知の抵抗値と電磁コイルメータを直列につなぎ、電圧をかけます。
流れる電流値とメータの振れは比例関係にあるので、
逆算により電圧値を求めます。

後者2.は...
(ものすごい省略形ですが)半導体利用の電子部品により、
電圧をアナログ-デジタル変換し数値を得ます。

> V=RIで測るんでしょうが

逆です。現状では直接測定できるのは電圧です。電流はそうはいきません。
(将来的にはそのようなデバイス(=部品)が作られる可能性がないわけでもありませんが)
それ故、電流を測るには抵抗器を挿入し、両端に現れる電圧をもって
算出します。
抵抗器は値が大きいと測定誤差も大きくなるので、ごく小さい値を用います。

> 卵が先なのかニワトリが先なのかみたいな感じで

I、R、E の３値のうち、２つが不明な場合、比例、反比例などの関係はわかったとしても
値を決定できるはずがありません。
測定器には「既知の値のもの」を使うことで計算できるようにします。

> なぜ起電力の分だけちょうど電圧降下するのか

どういう疑問、という気がしなくもないですが、
では一致しなかったらどうなるのかを考えたらいかがでしょう。
同じ箇所を同じ条件で測定しても異なる結果が出るということであり、
これは物理現象に反します。つまり背理法です。