電圧とは物理的にどんな現象？

質問

中学時代から電気を趣味にし、仕事でも電気専門でやってきました。

実務ではV=IRとかW=VIやキルヒホッフの法則、デジタルIC、PLC、サーボモータなどやってきました。
ふと、先日考えたのですが電流は電子がマイナスからプラスへ電線中を移動すると物理現象を
説明できるのですが、電圧はとなるとさっぱり説明できません。

・電圧（電位差）とはプラス側とマイナス側が物理的にどうなった状態か。
・それはどうしてそうなるのか・・・

高度な物理は全くわかりません。　しかし知りたいです。

よろしくお願いします。ｍ（。。）ｍ

回答No.4

wata717 · ベストアンサー

この自然界は多くの天才達が何百年もかかって築き上げた知識の集積で出来上がっています。
従って普通のただの人から見れば周囲はブラックボックスばかりです。ご質問は電気の根底
には物理学があるという事をご理解下さい。電気の始まりは電荷(+,-)が存在するという事を
事実として出発します。電荷の周囲には電位（ポテンシャル）が存在すると物理学では教え
ます。世の中電荷は多数ありますから、それらすべての重ねあわせとなり、電位は一様では
なく、場所とともに変化しています。そしてある場所とある場所の２点に注目した時の電位
の差が電圧です。場所ごとの変化は電場と呼びます。電子は負電荷をもっていますので、
正のより高い電位に移動しようとします。プラス側とマイナス側については、蓄電池のような
直流であればプラスには正電荷が集積した状態ですし、マイナス側は負電荷が集積した状態です。
しかし実際は交流が使用されます。この場合は「プラス」側には交流電圧が、「マイナス」
側は０電位（アース）になっています。この場合は電子は電線の中を往復することになります。
さらにご指摘のモータでは磁場についても考えなければなりません。
あなたの疑問はブラックボックスを開いて物理学までさかのぼろうとするものです。
でしたら素晴らしい著書が用意されています。
ファインマン物理学　岩波書店５巻です。
是非ゆっくりと時間をかけて一読して下さい。

お礼

貴方の説明が一番ピンときて理解できました。
電圧（電界）は重力と同じ様に理解すれば宜しいんですね。
電荷が沢山集まったら大きな電界がその回りに発生する。
電圧は或る地点Aと或る地点Bとの相対的な位置エネルギーと同じですね。
有難うございました。

追伸
　でも「この自然界は多くの天才達が何百年もかかって築き上げた知識の集積で出来上がっています。」は言い過ぎですね。
「多くの天才たちが何百年もかかってこの自然界の一部を解明し、その知識を人類が共有している」などが適切だと思います。

回答No.5

noname#195146

>電流は電子がマイナスからプラスへ電線中を移動すると物理現象を説明できるのですが、電圧はとなるとさっぱり説明できません。

　金属中の電流ですね。水溶液だと、陰イオンと陽イオンが互いに逆方向に移動したりします。真空中の電子線は、電子の移動ではあるんですが、金属とは少し状況が違います。

　しかし、金属中の電流から電圧を考えてみましょうか。電位差と電圧は違う、と言われそうですが、同じ物だとしておきましょう。それについて、単純に考えることができる直流にしておきましょう。

　コンデンサってありますね。金属板2枚を近づけておく部品で、これに乾電池などの直流電圧を掛ければ、両極板に同量の正負の電荷が溜まります。以下の感じですね。

-｜｜+
-｜｜+
-｜｜+
-｜｜+
-｜｜+
-｜｜+
-｜｜+
→　←この向きに力が掛かる

　－は電子で、＋は電子が足りない状態ですが、電子に対応した実体のあるプラスの電荷と考えても大丈夫です（半導体では電子が入れる穴と捉えて正孔と呼んだりする）。

　この－と＋は、コンデンサは2枚の金属板の間は絶縁されていますから、－も＋もその場に留まっていますが、電気力で引きあっています。－・＋双方に引き付けられる力がかかっているわけです（引力）。

　当然ですが、電荷を保持しているコンデンサの2枚の金属板同士にも力がかかります。そこで、単位面積当たりにかかる力を考えてみます。単位面積当たりの電荷が多いほど（電荷密度が大）、かかる力は大きくなります。

　単位面積にかかる力ですから、静水圧と同じように、ある種の圧力と考えてもいいでしょう。金属板での力で考えましたが、実は電荷そのものにかかる力です。それが電圧です。

　この力は、金属板に溜まる電荷密度が大きいほど強くなります。電荷密度が一定なら、金属板の間隔が狭いほど強くなります。これを重力に喩えるなら、坂道が急になるのと似ています。球が坂を転がり落ちようとする力は坂が急なほど大きく、その結果、球の速度は大きくなります。

　坂の傾斜が電圧に相当します。電子がその球に相当すると考えると、電圧が高いほど、電子が移動する速度が速くなり、それが電流が大きくなることに相当します。

（なお、もう少しこの喩えを続けるなら、坂道を転がる球が受ける摩擦が抵抗に相当しそうだけど、不正確な喩えになってくるので割愛します。）

お礼

有難うございました。

理解が進みました。

回答No.3

ORUKA1951

＞ふと、先日考えたのですが電流は電子がマイナスからプラスへ電線中を移動すると物理現象を説明できるのですが、
　これは、根本的に違います。
　電流とは電荷の移動です。電荷の担い手は電子であることが多いですが、プロトンや原子核、あるいはイオンでも電荷をもち、それが移動すれば電流は流れます。α線はヘリウム原子核と同じ物ですが、それも電荷を運べます。＝電流の担い手になります。
　そもそも、半径2mmの銅線に1Aを一秒流したって電子は数ミリしか移動しませんよ。電荷は、それよりはるかに速い速度で銅線の一方から他方へ移動します。

　電圧とは、二点間の電位差で説明されますが、その差が大きいほど電荷は受ける力が強くなります。

　電流は二次的なもので、電圧(電場=電界)と磁場=磁界が電磁気学の基本ですよ。ゆとり世代の方は電圧を小学校で教えてもらえなかったはずです。そのために電圧のイメージが欠損しているのでしょう。

　磁界(磁場)は、N極単極子が存在すると仮定して、そのN単極子が受ける方向が磁場(磁界)の方向で、受ける力が磁界(磁場)の大きさです。
　電界(電場)は、＋の電荷が受ける方向が電場(電界)の向きで、その力が電界(電場)の大きさです。
　電圧の概念はとても難しいのですが、ここでは、電位差と考えて良いでしょう。
　⇒電圧/電圧の定義 - Wikipedia( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E5%9C%A7#.E9.9B.BB.E5.9C.A7.E3.81.AE.E5.AE.9A.E7.BE.A9 )

　自由電子がたくさん詰まった銅線(ホースをイメージ)でホースの両端の高さの差(ホースの傾き)が電圧と考えると良いです。差＝傾きが大きくなるほど、電子が移動しようとする力は強くなりますから、一方をあけると電子が移動し始めます。電圧が高いほどその速度は速くなりますから、ある断面を考えるとその断面を移動する電荷の量＝電流は多くなります。
　単位時間当たりに、移動する電荷の量が電流です。（導体の場合はたまたま電子である）
　電線の両端を見ると、電流が流れると電荷が両端で移動していますが、電子自体が一方の端から他方に瞬時に移動したわけではありませんね。中の電子は、銅線の端から数ミリしか移動していないけど、電荷は瞬時に移動しています。

　では、ひとつひとつの電子はなぜ移動するのでしょう。それには電子が電場(電界)によって力を受けなけれなりませんよね。電場の傾きがなければ移動しません。その傾きの信号がスイッチのある一方から電線内を伝わっていくから、電子はほぼ一斉に動き始めるが、それは電場の変化の信号が伝わる早さに依存します。
　一杯に水が詰まったホースが高さの異なるタンクにつながれている姿を想像してください。
・途中にあるバルブが閉じられているとき、そのバルブの両端にはそれぞれのタンクからの水圧がかかっています。
・バルブが開かれた瞬間に、水は圧力の高いほうから低いほうに移動を始めます。その力が電圧です。その量が電流です。
・その圧力の変化は、水中の音波そのものですよね。すなわちその変化は音として音速でホースの両端に伝わっていきます。その音が伝わったところで水は圧力の高いほうから低いほうに移動をする。

　電気の場合は、これが電磁場の振動--電磁波/光--として伝わっていきます。それによって、電荷が移動した結果が電流です。

お礼

有難うございました。

回答No.2

中村 拓男（@tknakamuri）

電圧は渦のない電場に対して定義できる
単位電荷の位置エネルギーです。電場を
線積分したものです。
#電場があっても電圧があるとは限りません。
#電場は電圧よりも基本的なものです。

電圧に直接対応する
物理的な実体はないと思いますが、
電場は電荷に力を与える場です。

もちろん、電場は何かという疑問は残りますが
電圧ほど判りにくくはないとおもいます。

お礼

有難うございました。

回答No.1

lv4u

現代物理は、「こういう条件でＡをこうしたらＢはこうなった」という関係を発見するだけで、「どうしてそうなるのか？」ということは禁句になっていると思っています。
ですので、「電圧とは？」という質問は、「重力とは？」という質問と同様に、現代物理というか、電磁気学では、きちんと答えることができないと思います。

ちなみに、私は、電気科卒ですけど、「電圧って・・・？」という同様な疑問を持っています。また、「電磁波とは？」という疑問も持っていますし、その延長で相対性理論にも疑問を持っています。

でも、「どうしてそうなるのか？」という問いかけをして研究することが、宇宙レベルでみれば幼稚園レベルの地球人の物理学を進歩させることになるのだと思っています。

お礼

有難うございました。