先日、電圧とは何でしょうかと質問した者ですが

質問

先日、電圧を掛けるとはどういう状態なのでしょうか？と質問させてもらい、色々な方から回答を頂きました。有難うございます。しかし色々と考えてみたのですが、自分の勉強不足と理解力の欠如で未だにしっくり来ない点があります。

電子は動くと授業でも習い、そういう回答も多かったのですが、実際に電子が動いている訳では無いという回答もありました。それは電子が不純物などに衝突するまでの時間（平均自由時間）が極めて小さいために移動している訳ではなく、あくまで電子の運動エネルギー情報だけが伝わっているという事ですか？例えば金属の中は自由電子やフォノンなどが数珠繋ぎのように密集していて殆ど身動きする事は出来ないが、エネルギーだけ伝播する事になっているという事でしょうか。

また電源の負極から電子が押し出されるや、電源は電子（電荷）を供給し続けるポンプ等の表現がありました。そういったイメージはあったのですが、電源が電子を押し出す力の源（正体）は何ですか？電荷を供給し続けるポンプの高さ（電位・電子を押し出す力の強さ）は何によって決まるのですか？これが一連の質問の中で１番知りたい内容です。
電位が高い、低いとは何によって生じるのか、また電場は導体内でどうして変化するのか分かりません。電位の高低差は単なる抵抗による電圧降下だけが原因でしょうか。電場の強さは電荷からの距離に依存し、電位も電場のした仕事で距離に依存するのは知っているのですが、それらは点電荷と置いた理想的な条件下の事しか授業で学んでいないので、実際の工学的な回路内の電荷たちの振る舞いに対しての内容は理解できていません。

個人的には
「電圧（電位差）は、高低差つまりポテンシャルエネルギーの差です。例えばｋ殻とL殻とのポテンシャルエネルギーの差が電圧（電圧）に相当します。」
という回答が１番しっくりきました。電子が電源の負極から電位の高い方へ移動するというのはエネルギー準位の高い方へ遷移するのと同じであり（そこまで移動するのに要するのがポテンシャルエネルギー）、価電子（電荷）に力（エネルギー）を与えて上のエネルギー準位に移り、電子が伝導帯で自由電子となって電流が流れるという説明にも繋がると思いました。

あまり考え過ぎると混乱してしまい、さらに新たな疑問が浮かびそうなので、この際、端的に質問すると、電源の中は何が入っていて、電圧調整つまみを回して具体的に何を変化させた結果、電源部分の電圧を変化させていて、あの中で何をしているのかだけでも教えてもらえないでしょうか。

回答No.7

ORUKA1951 · ベストアンサー

＞電荷が移動し、Bと先端部分に電流が流れると先端部分の電位が下がるのは何故ですか？
　負の電荷があるところに逆電位の電荷が加わると中和されてしまう。
　　導体(金属)の場合は実際には電子がBから導体に流れ込みその部分の電位が下がる。そうすると隣の電荷も移動できるようになる（実際は電子がそこにいく）。このように電荷が下がったよ(電子が来たよと言う信号がAに向かって伝わっていくと同時に、その信号が届いた部分では電荷が移動している。あくまで「電位が変わったよ」と言う信号が伝わっていく。その信号によって電子が移動すると考えて良いです。その速度は、その導体内の光速と同じです。
　水流モデルだって、一方の端のコックが捻られたことを、他方は知る由もない。--その圧力の変化が伝わってくる--水中の圧力の変化--すなわち音波の速度と同じ。

※交流の場合は正負が周期的に変わるため、導体内の電子は振動しているだけ

＞また同時にBの電位が上がるのは何故ですか？
　これも同じです。コップに水を注げば水位は上がる。

お礼

だいぶ理解に近づきました。有難うございました。

他の多くの方々も回答有難うございました。

回答No.1

ORUKA1951

あなたが一番しっくり来たと言う回答が最も変です。(^^)
　そもそも電子と電流の関係がいまだに結びついている。電子はあくまで電荷を持つ素粒子であってそれ以上ではありません。
　重力に置き換えると、高い位置にあるものはその位置の重力加速度とその物体の質量に依存した力を受けます。この重力加速度に該当する物が電位差であって、質量に該当する物が電荷です。原子内の電子軌道は、電圧を加えたからと言ってK殻にある電子がL殻に移動するなんてことはありません。

下記を注意深く一字一句読み取ってください。
【引用】＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ここから
電流（でんりゅう） は、電子のような荷電粒子の移動に伴う電荷の移動（電気伝導）のこと、およびその物理量として、ある面を単位時間に通過する電荷の量のことである。電気の流れという感覚から「電流」と言う。
　電流における電荷を担っているのは、電線などの電気伝導体では移動する電子であり、電解液ではイオンであり、プラズマでは両方である。
￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣ここまで［電流 - Wikipedia( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E6%B5%81 )］より

★電流は、「電荷の移動」のこと、物理量としては「ある面を単位時間に通過する電荷の量」のこと。

　ある導体(金属線、電解液、真空中)の一方から他方へ電荷が移動することが電流です。そのためには電荷を持つものが移動しなければなりませんが!!!。
＞実際に電子が動いている訳では無いという回答もありました。
●●　＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
　　　○○○○○○○○○○○○○○○
↓　　￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣
↓　　＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿////////
　　　●●○○○○○○○○○○○○○
　　　￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣　○○
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　////////////
　電荷が○のもつ電荷×２個移動しましたが、●という粒子自体が左が右に移動したわけではありません。
　これは、正確には【導体内に電場が存在する】ために【電荷が右に移動できる環境にある】と移動できてその結果、電荷が移動したという結果を生じたのです。
　　　＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
●●　○○○○○○○○○○○○○○○　　　
　　　￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣
　　　＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿///////////////
●●　○○○○○○○○○○○○○○○
　　　￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　///////////////
いくら左右で電位差があっても、右端でスイッチが切られていると電荷は移動しません。導体内もすべて高い電位になっていて電荷は移動することも出来ません。

　スイッチが接続されると電荷は（この場合右端から）移動開始しますが、同時にこのパイプ自体が電荷の移動により曲がっていくます。最終的に両側の電位差がなくなるまで電荷は移動して電流は流れなくなります。
　流れ続けるためには、別に電荷を左側に移動させる何らかのポンプ(仕事)が必要です。それが電源であり、化学電池は化学反応で、発電機でしたら機械的仕事を電気的な仕事に変換して行っている。

　マクロ的な観点とミクロ的な観点を混同すると分からなくなります。

補足

回答ありがとうございます。

考えてみれば、一度K殻に属した電子にエネルギーを与えるとL殻に移動するというのを今まで聞いた事は無いですね。勉強中の身なので、まだよく分かりませんが。しかし現在の電子の状態（もしくは位置。つまり回路における電位V０、エネルギーバンドにおけるエネルギーE０）にエネルギーを加えて、上のエネルギー準位へ励起させた時（電位V１、エネルギーE１）、その間を移動させる力（エネルギーの根源）が電場であり、その仕事がポテンシャルエネルギーに等しい。なので、単位は違いますが電位はエネルギー準位に対応しているという考えは、そこまで間違ってはいないと思うのですが、どうでしょうか。