電磁気について

質問

電磁気について質問させていただきます。

導体内に電流がIが流れているとは、導体内を電荷が移動しているということですよね？
たしか、導体の性質として、導体内部には電荷が存在しないはずだったのですが、
電荷が移動しているということは、導体内に電荷が存在しているということですよね？
私の解釈ですと、このように矛盾してしまうのですが、なぜでしょうか？

私の理解が行き届かず、お恥ずかしいのですが、
回答よろしくお願いいたします。

回答No.3

noname#221368 · ベストアンサー

まず確認ですが、#1さんの仰っている事をおおざっぱに言えば、電気的にいくら中性の物体だって、内部で正負の電荷が（電子と陽子が）キャンセルしあってるのが通常なので、電荷は内部に沢山ある、です。OKですよね？(^^)。

　それは導体も同じです。導体の一番簡単な定義は、自由電子を持てる物体です。ここで自由電子とは、物体にかかった電場に沿って自由に動ける（電場に比例した電流となる）、電荷（電子）の事です。

　だから導体が最初、電気的に中性であっても外部電場をかければ、導体の電子の一部は最初から自由電子なので、電流が流れます（それは一瞬かも知れません）。

＞導体の性質として、導体内部には電荷が存在しないはず・・・

は概ね正しいのですが、条件があります。「定常状態では」です。定常状態とは、電荷分布が時間変動しない事を言います。

　例えば導体の一部に余剰な電荷を、集中して与えたとします。導体において、余剰な電荷は余剰な自由電子とみなせます。電荷は電場を発生して反発するので、その電場に沿って、与えた電荷は拡散するはずです。この時は確かに電流が流れ、電荷分布が時間変動するので非定常状態です。

　しかしほとんど一瞬で、拡散した電荷は導体表面のみに貯まるようになり（表面電荷）、その分布は、導体内部の電場を０にするような配置になります。いったん導体内部の電場が０になれば、自由電子の駆動力も０なので、電荷分布はそれ以上時間的に変動しない、定常状態に落ち着きます。

　　・これが普通の帯電状態です。導体の性質として、導体内部には電荷は存在しなくなります。

　しかし実は、もう一つ条件が必要なんです。導体からの電荷の出入りはない、という条件です。出入りなしは、出て行っただけ入って来るというような、収支0の意味ではありません。収支0も許すなら、定常電流を許す、定常状態が存在します。

　左端から秒当たりＪ(C)の電荷が入り、右端から秒当たりＪ(C)の電荷が出て行く、Ｊ(A)の定常電流を流すふつうの電線です。これも、自由電子という導体の性質に基づいています。

　ちなみに全体としては電気的に中性と考えられる金属でも、ミクロに考えれば、電荷分布が僅かに一様でないので、最初に述べたような事が起こり、

＞「原子核のプラスの電荷密度と電子のマイナスの電荷密度の不均衡は、金属の表面で起こる。」

・・・ような気がしませんか？。ちょっと大雑把過ぎると、お叱りを受けそうですが・・・。

お礼

とても丁寧に解説してくださり、わかりやすかったです！
理解できました！
ありがとうございました！

回答No.5

中村 拓男（@tknakamuri）

>導体内部には（自由）電子は無いけれど、

「導体内部には余分な(過剰な)（自由）電子は無いけれど、」ですよね。

回答No.4

noname#175206

#2です。書き損じました。

誤>　導体内部には（自由）電子は無いけれど、それは導体表面に集まってからで、電流はその表面での電子の流れだということになります。

「集まってからで」って何だ、集まってから内部に電子が無くなるのか！？＞自分orz

正>　導体内部には（自由）電子は無いけれど、それは導体表面に集まっているからで、電流はその表面での電子の流れだということになります。

　大変、申し訳ありません。

お礼

丁寧に解説してくださりありがとうございました！
とても参考になりました！

回答No.2

noname#175206

>導体の性質として、導体内部には電荷が存在しないはず

　ここですが、もしかすると「導体内部には電界が存在しない」ということが誤って質問者様に伝わったのかもしれません。

　あるいは、「電界が存在しない」ということから「導体に与えた電荷は常にその表面に分布し、内部には存在しない」ということも言えますので、これが必要な情報が抜けて、質問者様に伝わったのかもしれません。

　一例ですが、導体球に電荷を与えるとして、たとえばマイナスに帯電させるなら電子ですが、与えた電子同士は反発しますので、導体球表面に一様に分布し、内部にはありません（そして電界も無い）。

　絶縁体などでも、原子で構成されていますから、陽子と電子という電荷を持っていますが、電子は原子核に固定されています。

　導体は金属が代表的ですが、これは電子が原子核から自由に動けます。そのためか、自由電子と呼ばれていて、導線に電圧をかけると、この自由電子が移動して電流となります。

　この場合でも、自由電子同士は反発しあって移動するため、導体表面に移動していて、内部には無くなっているはずです。正負どちらかに帯電させない状態でも、もともとある自由電子は自由に移動できるので、そうなります。

　導体内部には（自由）電子は無いけれど、それは導体表面に集まってからで、電流はその表面での電子の流れだということになります。

　そうなりますと、質問者様は普通より一歩踏み込んで導体を理解されておられるのだけれども、もう一歩、導体表面の考察に進まれる直前だったため、疑問に思われることが生じたのでしょうね。

回答No.1

中村 拓男（@tknakamuri）

>導体内部には電荷が存在しない

これは、「原子核のプラスの電荷密度と電子のマイナスの電荷密度の
不均衡は金属の表面で起こる。」という意味で

電子は金属にぎっしり詰まってます。

お礼

そうだったのですか！
勉強になりました！
ありがとうございます！