電球が点灯する速度？？？

質問

凄く長い電線が有って、電池と電球とスイッチが直列につながっています。（電気抵抗とかは無視出来るものとします）

その場合、スイッチを入れるとほぼ瞬間に点灯しますか？

利くところによると、電線の長さが３０万ｋｍだとすると、点灯するのに１秒かかるそうなんですが・・・

その理由が知りたいです。

また、磁力や重力は瞬時に伝わりますか？
よろしくお願いいたします。

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回答No.8

noname#215107 · ベストアンサー

電流が流れているときの銅線中の自由電子の速度は、秒速１センチメートル前後で、ナメクジより少し速い程度です。

スイッチを入れる前は、スイッチの両端に電圧が掛かった状態です。
スイッチを入れると、スイッチの端子が接続され電位差がなくなり、電界の変化がスイッチ周辺に伝達しはじめます。
まず、スイッチ付近にあった電子が、電池のマイナス端子へ向かって移動開始します。
次第に、スイッチから離れた距離にある自由電子にも電界が伝わって、移動を開始します。
最終的に電球まで電界が伝わって電球のフィラメント内の自由電子も移動を開始し、電球が光を発します。

電界が伝わる速度は「導体内での光速」です。真空中の光速より少し遅い程度ですが、自由電子の移動速度よりずっと早いです。

＞質問は直流の電池です。

この回路は「直流」だから、導体のもつ寄生容量やインダクタンスは関係ないと思われるかもしれません。

しかし、電球が光った後、はじめて直流だといえます。スイッチを入れてから電球が光るまでの間は、パルス状の高周波がスイッチから電球まで押し寄せているのですよ。

お礼

回答ありがとうございます。
何となくイメージが沸いてきました・・・

回答No.11

noname#215107

NO.9です。
前回の回路は例が少し悪かったですね。

マッチングのとれた例を追加します。
以下のURLでは、４つの回路が表示されていますが、そのうち１番上の回路がイメージに近いと思います。
（２番目～４番目の回路は終端部分でエネルギーが消費しきれずに反射波が発生しています。）
http://www.falstad.com/circuit/e-tlterm.html

回答No.10

foobar

＃７に関して。
回路上をエネルギーが伝わるときには電圧と電流が伝わる必要があります。
電圧2つの導体間にかかると導体間の空間には電場ができます。
電流が電線に流れると周囲にの空間には磁場ができます。
という具合に回路内の電力、と、電線周辺の空間内の電磁場が１：１に対応していて、電力が伝わるには空間の電磁場の変化が伝播する必要がある、ということになります。

空間に電磁場の変化を妨げるもの（例えば遮蔽板）を置くとエネルギーの伝播が妨げられます。これは、電気回路的にはその部分の線路のインピーダンスが変化して反射が起きて電力伝送が妨げられる、に対応します。

補足

電位差が電界(電場)を生み、電界が自由電子を加速させる。

何となくイメージが沸いてきました・・・

回答No.9

noname#215107

No.8です。
参考になるページを紹介します。
回路シミュレータのページです。アニメーションで見ることができます。
（実行するにはJAVAをインストールし有効にする必要があります。またセキュリティ警告が出た場合、解除する必要もあります）

http://www.falstad.com/circuit/e-tlmismatch.html

↑この例は、パルスが伝達する様子を表したアニメーションですが、
ご質問の例に当てはめた場合、スイッチを入れてすぐ切ったらどうなるかを表したものだと思ってください。
また、右端の７５Ωの抵抗が電球だと考えてください。

実際には上記のアニメーションのように、跳ね返ってくる反射波も発生します。

このページでは、自分で回路を変更して実験することもできます。試してみてください。

お礼

回答ありがとうございます。
何となくイメージが沸いてきました・・・

回答No.7

foobar

電気的なエネルギーは電線の周囲の空間を伝わります。
空間を電磁気的な変化が伝わるのは真空中の光速以下ですので、非常に電線が長い場合には時間遅れが発生します。

お礼

ご回答ありがとうございます。

補足

電界が伝わるのは、その空間での光速度としても、エネルギーは導体（電線）なのではないですか？

今までの回答で、伝達速度は光速を越えないというイメージはわかりましたが、上記不可解です・・・

回答No.6

ORUKA1951

一秒ではなく数秒かかります。
そのイメージは、水で満たされたホース内で信号が伝達する速度でよいです。
　蛇口をひねった瞬間に、その部分の水圧が変化し、その圧力の変化(音)が水中を伝わる速度、すなわち水柱での音速で信号が伝わり、それによって他方に圧力の変化が伝わった時に水が出始める。
　この場合も、電位の変化が導体の内部を、その導体中の光速で伝わっていくのです。それは銅の比誘電率から求められます。
　一方、導体の周囲の空間も信号が伝わるのですがこちらはほぼ光速です。
　言い換えると表面と内部で足並みが揃わない・・・

　これは高周波信号を伝送するときには重大な問題になりますから、同軸ケーブルのような方式で信号を伝えます。同軸ケーブルの場合、信号は導体ではなく絶縁体を伝わっていくことになります。パソコンのLANケーブルがペア線になっているのも同様な理由です。

　⇒電気の伝わる速さ　オーディオ雑学帳　その７( http://www.ne.jp/asahi/shiga/home/MyRoom/velocity.htm )
　⇒複素誘電率( http://lab.sdm.keio.ac.jp/maenolab/makino/documents/20071030_TanDel.pdf )

お礼

回答ありがとうございます。
後半の質問の磁力と重力は、この質問を考えたときになんとなく思ったことでした。

補足

銅は導体なのでそもそも誘電体ではないのではないでしょうか？
理科年表とかも検索しましたが、銅の誘電率（または比誘電率）はでていません。
３０万ｋｍの電線の場合、１秒ではなくいくらになるのですか？
よろしければ回答お願いします。

わたしは素人なのでよくわかりませんが、高周波というのは交流の話では？質問は直流の電池です。
なぜ高周波の話になるのでしょうか？？？

回答No.5

chiha2525

昔、光の速度を計ってみたところ、どの方向の光も同じ速度であるように観測されました。この不思議な現象を説明するために、アインシュタインという人が相対性理論というのをつくり、それによってどの方向の光も同じ速度で観測されるってのを説明しました。

この相対性理論によると、ものの伝達には最高速度があって、光もその最高速度で伝わっているということになります。（光より速く伝達できるものが見つかると相対性理論では因果律が破れるので、相対性理論が間違えているということになります）
光は電磁波であり、電波（電力）や磁波（磁力）も光と同じ速さで伝わります。点灯するのに１秒かかるのも、インターネットのpingが米国のサーバまで約0.1秒かかるのも同じです。
ここまでは実際に観測されている話。

また完全剛体という理想的な物質を考えて、それで作った棒の端を押したときも、反対側の棒の端が動くまでには光が届くのと同じ時間がかかると考えられています。重力も同様に、光と同じ速度で伝達すると考えられています。ただし完全剛体は存在しないし重力波の検出は難しく観測できていないので、これらは（相対性理論の破綻が見つかっていないので）おそらくそうであろうと考えられている程度のものとも言えます。

お礼

回答ありがとうございます。
後半の質問の磁力と重力は、この質問を考えたときになんとなく思ったことでした。

回答No.4

tadys

電球とスイッチの間の距離が３０万kmで有れば点灯するのに１秒かかります。
この時、電池の位置は関係しません。

＞磁力や重力は瞬時に伝わりますか
磁力も重力もその変化が伝わる速さは光速度と同じです。
ただし、真空中でない場合にはこれより遅くなります。

なぜ光より早いものが無いかと言うと、もし有ると因果関係なりたくなるからです。
見る人によってどっちが原因でどっちが結果かが逆になる事が発生します。
この説明を分かりやすくする自信が無いので他の資料を引用します。
http://www.phys.u-ryukyu.ac.jp/~maeno/cgi-bin/pukiwiki/index.php?%BB%FE%B4%D6%A4%C8%B6%F5%B4%D62013%C7%AF%C5%D9%C2%E86%B9%D6
もっと色々知りたければ、「光円錐　因果関係　ac.jp」で検索してください。
最後のac.jpは大学などの教育機関に限定する為です。

お礼

回答ありがとうございます。
後半の質問の磁力と重力は、この質問を考えたときになんとなく思ったことでした。

補足

もともとのイメージでは、電池とスイッチは手元にあって、電線が長く伸びていてその先に電球があるという状況を想定していました。
電流の元は電池であるはずなのに、電池の位置（電線で接続した位置関係）に無関係となるというのは、なぜでしょうか？
あたかも電流0の状態でスイッチの位置に電流（言葉は正確でない気がしますが）が来ていて、スイッチの動作を待っているような感じがします。
この点に関して補足していただけるとありがたいです。

なお記載のリンク先の内容は私の理解力では良くわかりませんでした。
光円錐　因果関係　ac.jpで検索してみました。
なんか宇宙論の言葉みたいで、それが今回の質問とどう関連するのかが見えません。

回答No.3

sou_tarou

詳しくないのでイメージで

ところてんをつくところを見たことがありますか？
ところてんに例えるとスイッチを入れる　ところてんを突く　
先からところてんが出てきますが、これは手元で突いたものではありません。
ところてん全体が動いています。　その動きの伝搬に１秒間に３０万キロメートルと言う速度です。

たとえを変えて水が一杯入ったホースを考えてください。
蛇口につなぎます。　蛇口を開けます。　ホースの先から水が出ますが、これは蛇口から出た水ではなく初めからホースの先に合った水です。
この水が蛇口を開けて、先端から出てくるまでの伝搬速度が１秒間に３０万キロメートルです。

電線で考えます。
電線には電子があります。　電源を入れます。
電子が動き始めます。　電線の先端の電子が動きだす　伝搬の速度が１秒間に３０万キロメートル
電子のスピードは１秒間に３０万キロもありません。
ですので、電流を電子の移動と言うより電荷の伝搬と考えるのだそうです。

磁力や重力は私にはわかりません。
識者の方の回答を待ちたいと思います。

お礼

回答ありがとうございます。
後半の質問の磁力と重力は、この質問を考えたときになんとなく思ったことでした。

補足

ところてんや水道の水のイメージは良くわかりますね。
実際に金属中では光は伝わらない（通らない？）と思うのですが、そこになぜ光の速度が顔を出すのか？
それが疑問です。

なお時速３０万キロ/ｓというのは真空中での光速の値ですが、導体(電線)の中でもこの値を使う理由も新たな疑問として思いました。

回答No.2

Willyt

まず３０万キロの電線だとその抵抗のために何万ボルトの電圧をかけても電気が点灯しないでしょう。またスウィッチを入れると電流が増え始めるのですが、その増える電流のために自己誘導による逆起電力が働き始めるのでなかなか電流が流れてくれないのです。ですから点灯まで少々時間が必要になります。

磁力、重力の伝わる速度は光速と同じです。ただ、重力を遮る物体が存在しないのでその伝播速度を計測することは極めて困難です。ただ理論上はそうならなければならないので重力は光速で伝わるというのは真実だとされています。

お礼

回答ありがとうございます。
後半の質問の磁力と重力は、この質問を考えたときになんとなく思ったことでした。

補足

思考実験として考えてみました。抵抗は無視できると仮定。
電気のことは良く知りませんが、直流でも自己誘導が起きるのですか？
少々の時間がたまたま１秒だということですか？

実際に金属中では光は伝わらない（通らない？）と思うのですが、そこになぜ光の速度が顔を出すのか？
それが疑問です。

回答No.1

lv4u

電気は、電磁気学によれば、電線の間の「空間」を光の速度で伝わっていくといいます。なので、光速度が約３０万Ｋｍ／秒ですので、点灯まで１秒かかるってことですね。
なお、短い時間でも計測できるオシロスコープを使えば、電源電圧が変化して、３０ｃｍの短い電線の先にある電球に届くまでの時間差を測定することが可能です。
その理由は・・・分かりません。

>>磁力や重力は瞬時に伝わりますか？

瞬時には伝わらないと思います。少なくとも磁力は。
重力は「それを確かめる実験した」という記事を私は目にしたことありません。

この問題は、作用の伝搬を、近接作用と考えるか、遠隔作用と考えるか？という難しい問題を含んでいます。
たぶん、重力も光の速さで伝わるのだと思っていますけどね。

お礼

回答ありがとうございます。
後半の質問の磁力と重力は、この質問を考えたときになんとなく思ったことでした。

補足

電気(エネルギー)が伝わる速度は光速であるということは何となくはわかる気がするのですが、なぜそうなるのか？疑問に感じたので当質問となりました。
実際に金属中では光は伝わらない（通らない？）と思うのですが、そこになぜ光の速度が顔を出すのか？
それが疑問です。
しかし実験的に確かめられているのなら、理由がどうであれ事実として受け止めるしかないですね。

昨年ヒッグス粒子の話題がありましたが、重力の起源が質量であるなら（私の思い込みかもしれませんが）また新しい真実が発見されるのか楽しみです。