とても大きい電極間距離

質問

こんにちは，化学の内容ですが，物理的な内容が多分なのではと思いカテゴリーを物理にしました．
お話を単純化して，質問内容の本質に注目して頂くため，電解液の中身，導電率，印加する電圧などについて，ある電気化学反応が十分に起こり得る値とお考えください．

(1)二つの電極を一つの電解液に漬かしたと想定して下さい．
この電極間に電圧をかけます．すると電極間にイオン電流が流れます．
ところで，もし電極間距離が，とてつもなく長い（例えば１０km）としたらどうでしょうか．電流は流れないでしょうか．

(2)二つの電極を別々の浴槽に漬かしたと想定して下さい．二つの浴槽は電気的に分離されています．間にあるのは空気だけです．この電極間に電圧をかけます．一般に電流は流れないとなっておりますが，全くゼロでしょうか？　もっと言いますと，この(2)の条件下で，電極表面は電圧をかけない場合とかけた場合とで全く違いはないのでしょうか？

(3)上の二つとは様相が異なりますが，この(3)が私の質問のそもそもの発端です．二つの電極があります．この電極間に電圧をかけます．でも電極間は空気です．そして電圧は空気を通過して放電する程ではないが，とっても高いとして下さい．この電極の片方を，あなたの腕に刺します．もちろん痛みはありますが，’電気的な’ショックは全く起きないでしょうか？　

質問の意図が伝わりにくなったら申し訳ありませんが，宜しくお願いします．

回答No.5

B-juggler

Ｎｏ．２です。

なるほど。　Ｎｏ．４さんの考え方と、私とでは
電気工学と、化学（あるいは、実践的な電気工学？）の差かな？

と、感じました。

電子が伝わるかどうかだけを考えますので、電解溶液の中身、化学反応が十分に起こる

と言う条件から、境界面は無視できると判断しました。
　＃と、まぁ、ちょっとした自己弁護＾＾；

直流のことだろうなと思っていましたから、交流の話しは全くしていませんが、
交流ならば、（２）の場合でも、電気の流れ（電流）は観測できますよ。
　＃単純にコンデンサーの静電誘導が、常に正負対称に起こるので。

それで補足ですが、電池の場合、電子がスタンバイというわけではないはずです・・・。

「ただ、そこには電位差（電圧ですね）があるだけ」

のはずなんですよね。

ただこれが難しいところで、電位差が大きいと

電流が流れるわけではなくても、そこには「電気磁気界」が

発生してしまってもおかしくはないので、電磁波としてのショックがあってもおかしくはないです。

もう一つは、体内で静電誘導が起こる（静電気が発生するってことです）、

可能性もあります。

後は距離と、電位差の関係だと思いますが・・・。

直接に電流が来るということはまずありえません！
これははっきりしています。

間接的に、磁気的な力、あるいは静電気による力が発生する可能性がある。

としかいえないです。

こればかりは実験しないと分からないと思います。

　相当大きな電位差は必要でしょうね。

ちょっと厳密に補足をしておけば、電位差があれば必ず、磁界も発生します。
微細な電位差なら、微細な磁界が発生します。

体感できるかどうかということにかかってくるのか？
ものすごく微妙な世界かもしれません。

回答No.4

htms42

直流電源につながっているとします。
電流は電流計で測ります。
電流が流れたということは電流計の中を電子が移動しているということです。
（１）について
これは事情がややこしいです。
いろんな条件が絡んできます。
質問文の中には「イオン電流が流れます」と書かれています。
＃１に書かれているのも「イオンが移動すれば電流が流れる」という意味だろうと思います。
でも本当でしょうか。
イオンが移動しても電極表面での電子のやり取りが生じなければ電流は流れないはずです。電流計の中を流れる電子の供給源が必要です。酸化還元反応がおこる条件が満たされていなければ電流は流れないということになります。イオンが移動したというだけであれば電極表面近くでのイオン濃度が変化するだけです。ある程度たまると移動は止まってしまいます。
食塩水に電圧をかけると電流が流れると言いますがいつも流れるわけではありません。限界の電圧が存在します。大抵の電気分解に必要な電圧は１Ｖ付近にあります。電池の起電力が１Ｖ付近にあるというのも同じ事情です。（６Ｖとか１２Ｖとかの電池があると言われるかもしれません。１．５Ｖとか２Ｖとかの電池をいくつか組み合わせたものです。）

空気中での放電の場合、１ｃｍの間隔で１万Ｖ程度が必要です。この場合も空気中の気体分子がイオン化されていますから事情は同じです。電圧に１万倍の違いがあるのはどうしてでしょう。
電圧ではなくて電場勾配が問題になるのです。
空気中での電場勾配は一様であると考えられます。電解質溶液中での電極反応の場合電場勾配は一様ではありません。電極のごく近傍にだけしか電場勾配が存在しないのです。この部分は境界層と呼ばれています。その幅は１μｍ程度です。かけた電圧のほとんどがこの部分に集中しているのです。１μｍに１Ｖかかっていれば１ｃｍに１万Ｖかかっているのと同じです。境界層の外側には電場勾配がないのですからイオンが動くということもありません。電極反応によって生じた濃度勾配を埋めるような拡散による移動だけが起こります。
実験室でビーカーを使って電気分解をやるときでも工場の大きな電界槽でやる時でも印加電圧はほとんど変わらないというのはこういう事情によるものです。

電解質溶液の中には動き回ることのできる帯電粒子（イオン）がたくさん存在しています。外部からの電場はイオンが少し位置を変えるだけで簡単に打ち消されてしまいます。電極の極く近くでしか外部電場の影響は存在しないということになります。

交流の場合は電極表面での電子の移動がなくても電流が流れます。ゆすってやるだけです。コンデンサーの場合とおなじです。
電解質溶液での電気伝導の場合、直流と交流とで事情が大きく異なります。でもこの違いがあまり認識されていないように思います。混乱も見られます。

補足

「電解質溶液の中には動き回ることのできる帯電粒子（イオン）がたくさん存在しています。外部からの電場はイオンが少し位置を変えるだけで簡単に打ち消されてしまいます。電極の極く近くでしか外部電場の影響は存在しないということになります。」

頂いた回答の抜粋ですが，私の質問の本質はこれにあります．
つまり，こういうことであります．ここに電池があります（何らかの外部電源でも良いです）．けれどもまだ何の負荷にも繋いでいません．しかしながら，負荷に繋がなくとも，この電池のマイナス極では，
（１）「ヨッシャ，いつでも準備万端，繋いだら即発車しますよー」的に，電子さん達が集合しているのでしょうか，
（２）それとも，負荷をつなぐまでは全くマイナス極側には電子の偏りがないのでしょうか？
もし，（１）ならば，マイナス極表面にはある電場が形成されるはずです．するとそれが十分に高い場合，あなたの腕（分かりやすく神経としておきましょう）に刺すと，イオンチャネルでのイオンの移動を伴うため，それが神経刺激信号として，神経系へ伝導していくはずです．しかし，（２）ならば，マイナス極表面には電場が無いため，腕にさしても電気的な刺激にはならないはずです．

ここで金属を体内の電解液に漬かした時に生じる電場は無視します．

少々砕けた表現を用いましたが，真剣に考えております．

いかがでしょうか．

更にご回答頂ければ幸いです．
お願いします．

回答No.3

hachijo

No.1ですが、一番最後「感電する」は間違いですorz
私も他の方の回答で勉強させていただきます。

回答No.2

B-juggler

こんばんは　ちょっと難しいような気がしますね

もと、電気工学屋です。

（１）は問題ないかと。
（電気的な）抵抗が無視できれば、電流はながれます。

こういう風に想像してみてください。
「長い銅線があります（１００ｋｍ！）両端に電池をつなぎます。
途中に豆電球一つ♪　」
電気がつきそうなのは想像できますよね。
　＃このときは、電池の電圧（正確には電位差になるかな）に関係してきますが。

銅線も実は抵抗がありますから＾＾；

（２）はねぇ、これは難しいですね。
空気中に放電しないのなら（それほどの電圧がないのなら）、結局は電気が流れない！
ことになりますからね。

表面上の変化は、化学的な変化がないものとすれば（！）、変化なしでしょうか。
　＃ここはどうなるのかな？

やはりちょっと微妙ですね・・・。
コンデンサー　という状態に近いので、ひょっとすると、電磁波が発生するかもしれません。
そうなると、電気的に伝わっている（流れているとはいえませんが）可能性が出ますね。

う～ん、表面の変化は、やっかいかもしれません。

どなたか、お願いｍ（＿　＿）ｍ

（３）ですが、
これは・・・・。
やはりここも電磁波の可能性や、アース（地面）を通した通電など考えられなくはないのですが、
私は、基本的にないと思うのですよね。

ちょっと変なたとえですが、
「低周波治療器の片方の極だけを体に貼り、もう片方を中に浮かせている」
状態なら、双方に電気的流れがありませんので、なんらの変化もおきないはずですよね。

電位差が大きくなると、変わってくる可能性もあるということでしょうかねぇ。

静電気になる可能性も捨てられないですし。

なかなか、難しいかと思います　ｍ（＿　＿）ｍ

と、たたき台を書かせていただいて。

補足

ありがとうございます．
繰り返しとなり申し訳ありません．
NO.4様の補足をご覧頂ければと思います．

電圧を印加された電極，でも負荷にはつないでおらず，先端がフリーの状態．この先端には電場はあるでしょうか？

回答No.1

hachijo

（１）流れると思います。電線でも電流が流れるのは、一つの電子が端から端まで移動しているからではなくて、各場所にある電子が少しずつ動くからだそうです。それはイオンの場合も同じではないでしょうか。

ただ、電子が動く場合とイオンが動く場合とで抵抗の大小は変わると思います。また、長ければ長いほど抵抗は大きくなるので、オームの法則から相当の電圧をかけないと、観測できるほどの電流は流れないかもしれません。

（２）電流は流れないと思います。しかし、例えば負極の周囲には＋の電荷が集まるのではないでしょうか。なので「まったく違いはない」と言うことはないと思います。（ここは特に自信がありません）

（３）私が空中に浮いているか、地面と通電できる環境にいるかによって違ってくると思います。よく「鳥は何故感電しないのか」という話がありますが、それについては参考URLを見ていただくとして、ここでは結論だけ書きます。

・自分が他から絶縁されている場合：電流は流れないので平気
・自分から他に電流が流れる経路がある場合：感電する

以上、素人意見ですので他の方の意見を参考にしてください。自分でも「？」だったのでまとめに利用させてもらいました。

参考URL：

http://www.energia.co.jp/eland/chosatai/wire.html

補足

ありがとうございます．
NO.4様の補足をご覧頂けますでしょうか．
電圧を印加された電極，でも負荷にはつないでおらず，先端がフリーの状態．この先端には電場はあるでしょうか？