電流が導体の中を流れているときの自由電子の状態について

質問

こんにちは、
電流が導体の中を流れているときの自由電子の状態を具体的に教えて下さい。
下記のHP（図２参照）のイメージ図は、
図Aが電流の正弦波、
図Bが図Aについての導体中を流れる自由電子のイメージ図
図Cが図Aの電流より位相が９０度進んだ電圧（コンデンサーの場合）
図Dが図Cについての導体中の？のイメージ図
です。

質問
（１） 図Bは、図Aについての導体中を流れる自由電子のイメージ図として正しいでしょうか？
（２） 図Bのベクトルは、自由電子の何を表しているのでしょうか？
（３）図Cについての導体中の？ベクトルは、何を表しているのでしょうか？
　　　（電流とは自由電子の流れですが、電圧とは自由電子の何を表しているのでしょうか？）

http://www.geocities.jp/dirac_equation/index.htm

回答No.2

dekopon211 · ベストアンサー

＞導体中では、オームの法則があり、速度一定であり、速度の変化はないのでは？
正弦波がどのようなものかおわかりですか？

図Bは図Aの縦軸を右に９０度回したものだと考えてください。
（意味がよくわからんかもしれません。言葉で説明しにくいな。）
つまりは電流を表しています。更に言えば電子の速度です。

＞「電圧＝自由電子が受ける力」なら、なぜその位置で「電圧の大きさ＝電流の大きさ」にならないのでしょうか？
「電流＝電子の速度」（ホントは他の要素もあるが簡単のため）で、
「電圧＝電子が受ける力（∝加速度）」なので、一般的には「電圧の大きさ≠電流の大きさ」です（加速度≠速度）。
オームの法則が成り立つただの抵抗体中では「電圧の大きさ＝（∝）電流の大きさ」となりますが、それは電子に働く電圧と抵抗の大きさが釣り合うためです。（電圧＝抵抗∝電子の速度）
コンデンサーの場合の位相のずれの原因は、電荷が溜まることによって電子が感じる電圧が電源電圧と一致しないことにあります。

その辺を踏まえてもう一度じっくり考えてみてください。

お礼

ついでに、下記の教えてください。
直列の共振回路の場合、電源電圧がたとえば１００Vとしても、共振している近傍では、２５００Vくらいになります。これはなぜでしょうか？

補足

お返事有難う御座います。

＞「電流＝電子の速度」（ホントは他の要素もあるが簡単のため）で、
＞「電圧＝電子が受ける力（∝加速度）」なので、一般的には「電圧の大きさ≠電流の大きさ」＞です（加速度≠速度）。
＞オームの法則が成り立つただの抵抗体中では「電圧の大きさ＝（∝）電流の大きさ」とな＞りますが、それは電子に働く電圧と抵抗の大きさが釣り合うためです。（電圧＝抵抗∝電＞子の速度）
今は導体の中の電子の動きに興味があります。
電圧が一定なら、真空中では電子は加速度運動する。
電圧が一定なら、導体中では電子は等速度運動する。
電圧が正弦波なら、時間によって電圧が変化するので、導体中では電子は電圧の変化に従って正弦波の運動する。すなわち、電子の運動速度が変化する。
なのでしょうか？

＞コンデンサーの場合の位相のずれの原因は、電荷が溜まることによって電子が感じる電圧が電源電圧と一致しないことにあります。

コンデンサー、コイルで位相がずれることは、丸暗記して覚えました。
しかし導体の中でどうようになっているのか？イメージが沸きません。

＞電荷が溜まることによって電子が感じる電圧が電源電圧と一致しない
分からないです。コンデンサー部分だけではなく、途中の導線部分の電流と電圧の位相もずれております。
導体中の自由電子１個に、電圧が作用すれば、リアルタイムに自由電子の速度が大きくなると考えるのが普通ではないでしょうか？

またこの現象を導線以外の他の身近な例でご説明頂きましたら幸いです。

回答No.1

morizoh

（１） 図Bは、図Aについての導体中を流れる自由電子のイメージ図として正しいでしょうか？
時間による、電子の速度の変化としては正しい図です。
（位置による変化ではありません。）
横軸を時間で取っているので、直感的には分かりにくい図ですが。

（２） 図Bのベクトルは、自由電子の何を表しているのでしょうか？
おそらく、自由電子の速度を表しています。

（３）図Cについての導体中の？ベクトルは、何を表しているのでしょうか？
おそらく、自由電子が受けている力（加速度）を表しています。
電圧とは、自由電子の運動に勢いを与えたり、逆に失わせたりしています。

お礼

共振について教えてください。

下記HPのP3の写真をみますと、中２個のランプだけが点灯して、両端のランプは消灯しております。これは、中の並列回路で、コイルの磁気エネルギーとコンデンサーの電気エネルギーが交互にエネルギーを交換している、すなわち共振しているからだと思っています。しかし実際は抵抗があり、電源から少しの電気を供給されているはずです。
もしこの並列共振回路内の抵抗がゼロの場合、無限時間、コイルとコンデンサーがエネルギーの交換を続けるはずですが、この現象は、超伝導や原子内の束縛電子の運動に似ているように思えます。ひょっとして、並列共振回路内で抵抗値がゼロの場合、電子の運動方程式は定常波となっているのでしょうか？

http://www6.plala.or.jp/maamu/koryu.pdf

補足

お返事有難う御座います。
＞時間による、電子の速度の変化としては正しい図です。
真空中では電子は加速度運動します。しかし導体中では、オームの法則があり、速度一定であり、速度の変化はないのでは？

＞（３）図Cについての導体中の？ベクトルは、何を表しているのでしょうか？
＞おそらく、自由電子が受けている力（加速度）を表しています。
＞電圧とは、自由電子の運動に勢いを与えたり、逆に失わせたりしています。

導体中で自由電子が力を受けた場合、その位置でリアルタイムに電子の速度が速まると思います。
加速度を自由電子が受けて、自由電子の速度が９０度遅れて速まるのでしょうか？
「電圧＝自由電子が受ける力」なら、なぜその位置で「電圧の大きさ＝電流の大きさ」にならないのでしょうか？すなわちなぜ位相が９０度ずれるのでしょうか？導体中で具体的なイメージができません。

＞電圧とは、自由電子の運動に勢いを与えたり、逆に失わせたりしています。
もし仮にある１個の自由電子の圧力を測定できたとすれば、高くなっているのでしょうか？