電気 回路

質問

物理の問題です。回路を電流(電荷)が流れる時ってその電荷はどこから来たのかと聞かれてすんなり答えられなかったんですが。電池って電荷を供給する装置だったっけ、とかでも電池があって電流が流れ始めるんだからそれで合ってるんじゃないかとか結構あやふやです。それとコンデンサーの場合も電荷が貯まることは分かるんですが、どこにあった電荷がどういう挙動をしめして貯まるのかがいまいちです。導線があるところしか電流は流れないんじゃないのかと聞かれ。確かに極板間は空間だしと思い、困りました。どなたか分かる方教えて下さい。

回答No.4

noname#137826 · ベストアンサー

(1) 導線の中の自由電子です。
電池を接続するとそれらの電子の流れが生じます。それが電流です。
電流とは新たに生み出されたものが流れるのではなく、もともとそこにあったもの
(導線中の電子)が流れる現象です。
よく用いられる例えは水路です。水路(導線)の中の水(電子)の流れが水流(電流)です。

(2) 否。
電池は電位差を生じさせるものです。電荷を生み出すものではありません。
水路の例えで言えば、高低差を生じさせてそこで水を汲み上げるポンプです。
高低差があれば、高いほうから低いほうへと水が流れますね。
ここで高低差は電位差に相当します。高い・低いは、電位が高い・低いです。
電位差という言葉が耳慣れなければ、電圧でもかまいません。乾電池は1.5Vなどですね。

(3) 導線の中の自由電子です。
過程を含めて(4)をご覧ください。

(4) 電池を接続した瞬間(時刻0)では、コンデンサの両極板は電気的に中性です。
負電荷を持つ電子の数と、正電荷を持つ金属イオンの数がつりあっているわけです。

そこからの変化は、次の通りです。

電池の＋極に接続された極板からは、電子が電池の＋極に向かって流れ去ります。
導線であれば流れ去った後には電池の－極側から定常的に電子の供給がありますが、
コンデンサの場合はそれがありません。結果として金属イオンの数が電子の数よりも
多くなるため、極板は＋に帯電します。

反対に、電池の－極に接続された極板には、電池の－極から電子が流れ込みます。
コンデンサの場合、流れ込んだ後に、さらに流れ去る場所がないので、電子の数が
金属イオンの数よりも多くなり、こちら側の極板は－に帯電します。

このように極板が帯電すると、極板間に電界が生じます。
電界に極板間距離をかけたものが極板間の電位差です。
その電位差が電池の電位差と同じくなったところで、上記の電子の流れは止まります。
コンデンサの充電完了です。

(5) コンデンサの充電が完了した後では、一定値の電流、つまり直流は流れません。
導線がないところでは電流が流れない、その通りです。しかし、(4)で説明申し上げた
通り、充電完了までは電子の移動があります。これは電流にほかなりません。

また、充電が完了する前に電池の＋－を入れ替えたらどうなるでしょう？
電子が流れ去り、金属イオンが過剰になって＋に帯電していた極板に、今度は電子が
流れ込みます。やがて電子の数と金属イオンの数がつりあい(中性)、しまいには
電子が過剰になり極板は－に帯電するでしょう。(反対側の極板では逆のことが起こる
ことはおわかりになると思います。)

次に、また電池の＋－を入れ替えると電子は流れ去り・・・これを繰り返せば、電子は
移動し続ける、すなわち電流が流れ続けるわけです。その向きは電池の＋－に応じて
変わります。つまり、コンデンサがあっても交流電流は流れるというわけです。

このときコンデンサでは、極板間に溜め込まれた電荷の数が時間によって変動します。
つまり、極板間の電界も時間によって変動します。この時間によって変動する電界は
電流と等価であるとみなすことができます。これを変位電流といいます。

まとめると、コンデンサには直流は流れない・交流は流れる・それを変位電流という、
となります。

お礼

ありがとうごさいました。お二方で意見が違っているようですが・・・電池は電子を動かす装置なだけで供給するわけではないんですよね?

回答No.5

noname#137826

No. 1 & 4 です。
そうです。電池は電子を動かす装置なだけで供給するわけではありません。電荷の総量は保存されている必要があります。
何か供給しているとすれば、電子を動かすための電気エネルギーを回路に供給していると見ることができますね。もちろん、そのエネルギーも無から生み出すわけではありません。電池内部で起こる化学反応を通じて、化学エネルギーを電気エネルギーに変換しています。

回答No.3

info22

#2です。
> 発生したコンデンサーに溜まった電荷は電池で発生したものなんでしょうか?
そうですよ。
電池は、電荷を作り出し、その結果両端に±の電位差が生まれます。
その電位差（起電力）が回路中に電荷を移動させ電流を流します。コンデンサーの所で電荷の行き先がなくなりますのでその電極に電荷がたまるのです。電池はプラスとマイナスの電荷を同量作り出しますから、コンデンサの両電極に符号反対の同量の電荷がたまります。そしてそれらの符号反対の電荷は、プラス、マイナスで引き付けあいます。そのためコンデンサーの内部（電極間）に電界が発生してコンデンサの両端に電位差が発生します。

回答No.2

info22

電池は電位差を作る装置で、プラス電荷をマイナス側からプラス側に運び上げる装置です（実際は電池のプラス側電極から電子をマイナス側電極に汲み上げることで電位差を作る装置です）。その結果、電池のマイナス側電極にはマイナスの電荷が発生します。そのプラス電荷が電位の高い所から低い所に移動し、マイナスの電荷は電位の高い方に移動していきます。電荷の移動でプラス電荷とマイナス電荷が同じだけ遭遇すると電荷が消滅します。電荷が消滅しても、また電池がその両端の電極にプラスとマイナスの電荷を作り出します。
電荷の移動が電流です。電流の方向は、プラスの電荷の移動方向であり、またマイナスの電荷の移動と逆方向になります。回路の途中にコンデンサがあれば、コンデンサーの電位の高い電極に、電池のプラス側から移動してきたプラス電荷がたまり、電位の低い電極には、電池のマイナス側から移動してきた電池のマイナスの電荷がたまります。そうしてコンデンサの電極の両側にプラスとマイナスの電荷が貯まります。プラスとマイナスの電荷は、電池でプラスとマイナス同じ量だけ発生して（電池は電荷を運ぶポンプの役目）、それがコンデンサの両端にプラスとマイナスの電荷が同じだけたまる理由です。コンデンサの両端の電荷は釣り合って引き付けあって安定します。

補足

ありがとうごさいました。ということは、発生したコンデンサーに溜まった電荷は電池で発生したものなんでしょうか?

回答No.1

noname#137826

質問をはっきりさせた方が答えやすいと思います。

(1) 回路を流れる電流を担う電荷はどこから来たのか
(2) 電池は電荷を供給する装置か否か
(3) コンデンサに貯まる電荷はどこから来たのか
(4) コンデンサに電荷が貯まる過程はどのようなものか
(5) コンデンサの極板間に電流が流れるとはどういうことか

これで合っていますか？

補足

それで大丈夫です。補足ありがとうございます。