断線している回路で電流が流れない理由

質問

豆電球を銅線を介して電池につなげると電池から電子が流れて電流となり豆電球は点灯します。
ですが、この回路の一部が切断していると
電流は一切流れないようです。
(一切という意味は量ではなくて導線のどの部分にも電流は流れないという意味です。)

ここで質問なのですが
電池から出発する電子はどのようにして自分の進む道が途中で断線していることを察するのでしょうか?
(事前に察しているからこそ電子は電池から流れ出ないと考えています)

回答No.13

mmky · ベストアンサー

追加の参考程度に
例えば１m の電線の集中換算抵抗を１/1000 Ω　集中換算容量を1/10 pFとして一端を開放端にして、他の一端に開放電圧E(V)の電池を接続したとしましょう。
この時の過渡電流は、抵抗Rと容量Cの直列回路に開放電圧E(V)の電池をつないだ場合の過渡電流になりますね。簡単には、容量C端電圧がE(V)になるまで過渡電流
が流れます。容量C端電圧がE(V)になれば、電線の開放端電圧と電池の開放電圧が同じになりますので電流は流れなくなります。これが定常状態ですね。
過渡電流I(t)の大きさI(t)は、E=R*I(t)+(1/c)∫I(t)dt から計算できます。理論的には、I(t)=（E/R)*e＾-(t/RC)　のようになりますね。(E/R)は非常に大きい値になりますが同時に(1/RC)が非常に大きい値なのでtは非常に小さいということですね。
実際的な長線路の分布定数線路ではこの過渡状態が続いていきますので過渡的な進行波電流が生じます。この進行波電流が線路端に達して反射して戻ってくるわけですね。そのようにして定常状態に入っていくのです。

お礼

ありがとうございました。

回答No.15

Masye

回路を水の流れだと考えましょう。　ホースを1周くるっとつなぎ、そこにポンプをつけたものを想像してください。　電池を水を送り出すポンプだと考えてください。（豆電球は省かせてもらいます。）
ポンプにスイッチをいれると水は流れ、ぐるぐるまわります。
そこで、電線をきる、つまり、ホースの一部にすっごく重いおもりをのせましょう。　すると、水の流れは止まりますね。　これと同じことが電気の回路でも起こるのです。
わかりにくい事があれば、補足よろしくです。

回答No.14

bttf2003

この問題は、
あくまで理論としての回答を得たいのか？
実在の回路を想定した回答が得たいのか？
によって、答えは大きく異なります。

以前、QNo.615057の「電球が点灯する順番」は？という質問で、理論的な答えをする回答者と実在する回路に対する答えをする回答者が、混在してしまって、未だに結論が出でいない質問があります。

質問者さんは、理論を中心とした回答を求めているのか、実在の回路に対する回答を求めているのかを、はっきり表明しないと、収集のつかないＱ＆Ａになってしまいますよ。

参考URL：

http://okweb.jp/kotaeru.php3?q=615057

お礼

ありがとうございます。
その問題は物理トリック=だまされまいぞ！ 都筑卓司
で紹介されてましたよ。
私はよく理解できませんでしたが。

回答No.12

noname#6587

もうおそいかな?
　・電子が流れる、、、のだろうか?(逆に質問?)
・Q=C*V コンデンサの両端の電圧。
　　　Q=i*t 電流と流れた時間の積がたまる電荷。
　　　Cはコンデンサの容量で、普通はμFとかpFです。
　　　「切れた電線コンデンサ」ならもっと小さいでしょう。
μは10^-6、p(ピコ)は10^-12です。
　　　この大きさに注目!
1mAの電流が1/1000秒間、「切れた電線コンデンサ」に流れてたまったら、その両端の電圧は、数Vからなんと数百万ボルトになるでしょう。
　　そんな電圧に逆らってまで、どうして電子が流れる(?)のでしょうか。
　そんなことが可能なら、東名高速の渋滞でも困らないけど。

お礼

ありがとうございました。

回答No.11

mmky

参考程度に
(事前に察しているからこそ電子は電池から流れ出ないと考えています)
その通りですね。
電流が流れないのは電池が断線を察知するからです。
これは過渡状態といって非常に短い時間なので気がつかないだけです。過渡状態から定常状態に移るということですね。定常状態だけ見ているわけですね。
例えば、ある長さの電線に電源をつなぐとつないだ瞬間（過渡状態）に電流はながれます。これは電線の電位が不定だからですね。一瞬電流が流れることで電源と電線の電位が確定するのですね。電線の端に何もつながっていない場合は電線の電位は電源の電位と同じになり定常電流はながれないということです。電流は光速度でながれますので電線が短いと検出困難ですね。
例えば、１５万キロぐらいの電線を用意すると端までの往復に１秒かかりますから普通の人にも電源が端を見に行ったというのがわかりますね。

お礼

ありがとうございます。具体的に例をしめてしていただきましてすっきりしました。

回答No.10

kube

＃５です

＞掃除機の例では確かにノズル部分は空気の流れが
＞とまります。ですが、手前側ではスイッチが
＞onな限り吸引力は働いています(空気の流れはとまっているでしょうが)。言うなれば吸引力の源は
＞詰まり部分を察知していません。

＞豆電球の回路の例では断線すると直ちに両側の吸引力が止まります。この吸引力を発生させている源は
＞断線を察知して吸引力を停止したように思えます。
＞なぜにそれが可能なのでしょうか？

　まず初めに、基本的なことをご理解下さい。「電流」とは、「電子の流れ」の事をいいます。
　その「電子の流れ」が停止した場合、「電流」は流れていない事になります。
　帯電して「電圧」が高まっていても、抵抗が高いと「電流」は流れません（厳密に言えば漏電もあるかもしれませんがそれは考えない事にします）。
　つまり、プラス側は「プラス」に帯電しているが、「電流」は流れず、マイナス側は「マイナス」に帯電しているが、やはり「電流」は流れず、結果お互いがその吸引力を停止したように見えるわけです。
　これは、先の掃除機の例で言えば、空気が無い場所を吸引しても、空気の流れを観測できないのと同じです。
　実際、プラス側では吸引力は停止しているわけでは無く、電子の置き場所があるかぎり、電子があればすぐにそれを吸引します。

　つまり、Golbyさんご自身がおっしゃられているように、

＞手前側ではスイッチがonな限り吸引力は働いています(空気の流れはとまっているでしょうが)。

　ということで、空気（電子）の流れが無くなったので、吸引力が無くなったように見えるわけです。

お礼

理解できました。何度も御丁寧にありがとうございました。

回答No.9

sanori

Ｎｏ．６の者です。

＞断線部分に電子が流れていない以上その回路中の
＞どの銅線部分も電子が流れていないかと思います。
＞この考えは正しいでしょうか？

全く正しいです。
帯電が完了した定常状態では、電流は流れません。
放電するには、原子から電子が離脱するような一定の条件以上の電界が必要ですから、その条件以下ですと基本的には放電しません。

電流計のことを書かれている方もいらっしゃいますが、これも全くその通りで、帯電が完了するまでの過程では電流が流れます。著しく感度の高い電流系であれば、帯電するまでの間、針が振れるという考え方でよいです。
帯電しているプラスの場所とマイナスの場所とが向き合って、コンデンサになっていると考えればよいです。
コンデンサが充電されるまで電流が流れます。
交流回路の基礎みたいな感じです。

余計なことかもしれませんが、
厳密なことを言えば、断線していても、究極的に絶縁されていない限り、リーク（漏れ）の電流があります。
空気中を伝うのもあるでしょうし、あと、よく知らないんですが、もしかしたら電池そのものの外壁か何かを伝うのもあるかもしれません。

お礼

なるほどそうですね。よくわかりました。
コンデンサーにたとえるとよく理解できました。

回答No.8

Rossana

電子の気持ちになって考えてみましょう。

あなたは迷路に迷い込んでしまいました。できるだけゴールに早く着きたい！！
あなたはアイテムを何も持っていません。
そんなとき、通路に沿って進みますよね。
しかし、アイテムとしてドリルを手に入れたとします。
そのドリルを使えば通路に沿わなくても壁をドリルで突き破って進むというショートカットができます！！

例えば、雲と地面の間は抵抗値が非常に高く電子は通常行き来できません（アイテムなし）。
ところが、高電圧（ドリル）というアイテムを手に入れれば雲と地面の間に雷という大電流が流れますよね。

そんな感じで考えてみてください。

電子にとって金属は通路だけど金属じゃないの（絶縁体）は壁なのです！

回答No.7

ymmasayan

No.3です。補足にお答えします。

>とすると電池と断線箇所の間に電流計を入れると
>針がふれることになりますが(一瞬かもしれませんが)
>実際にはそうではありませんよね。

途中に電流計を入れると最初の一瞬だけちょこっと電気が流れます。
その後は膠着状態でわずかたりとも電気は流れません。

補足

本当ですか？？？

私もそうではないかと小学校で豆電球回路の実験
を行って以来ずっと悩んで来たのですが。。。

回答No.6

sanori

断線しているプラス側の端がプラスに、マイナス側の端がマイナスに帯電しています。
正確には、線の途中のところも帯電しています。
帯電とはすなわち、プラスに帯電している表面では原子数よりも電子が少ない状態、マイナスに帯電している表面では電子が多い状態です。

もしも、電圧がめちゃくちゃ高ければ、電線が切れていようが何しようが、そこの空気中を電子が飛行します。（真空管の中の放電と同じ）
言わば、断線しているところの空気の部分が非常に高い電気抵抗になっているようなものです。
そんなに電圧が高くなくても、断線している端どうしが近ければ、放電します。

ですから、家の中の電気製品の電源コードを踏んづけて痛めると、火事の元になるんです。
発熱したり、最悪、火花が飛びます。

補足

豆電球の回路の例でいえば
電池の電源を何万ボルトの電池に変えた時が
放電する直前の状態に該当するかと思いますが、
その時でさえ、放電を起こしていない以上、
つまり断線部分に電子が流れていない以上その回路中の
どの銅線部分も電子が流れていないかと思います。
この考えは正しいでしょうか？

回答No.5

kube

Golbyさんこんにちは。

　Golbyさんは磁石をご存知ですよね？プラスとマイナスは引き合いますね？
　電子も同じで、自由電子（動き回れる電子）は磁石で言うとマイナスで、常にプラスに帯電した方向に流れ込みます。
　さて、断線です。それまで電子は自由にプラスに「吸い込まれて」いました。しかし、そのプラスの場に繋がっていた道が閉鎖されてしまったわけです。これは掃除機のノズルが詰まってしまったような状態です。
　つまり、プラスからの吸引力がゼロになってしまったわけですね。
　そうすると電子は一定の方向に流れることができなくなり、見かけ上電流が自分で止まったように見えるわけです。
　つまり、電子は自分で事前に断線を察知しているわけでは無く、吸引力が無くなったので一方行に移動しなくなった、と言うことです。
　ほこりが吸い上げられなくなったのを、まさかほこりが自分で掃除機が止まった事を察知して動きを止めたとは思わないですよね？
　そういうわけで、電子は流れを止めるわけですね。

補足

ありがとうございます。うまいたとえですね。
では視点を変えます。
この吸引力のもとはおそらく導体内に生じる
電場みたいなものかと思われます。＋極－極間の電位差に対応する電場があらわれ電子が引かれるみたいな感じでしょうか？

掃除機の例では確かにノズル部分は空気の流れが
とまります。ですが、手前側ではスイッチが
onな限り吸引力は働いています(空気の流れはとまっているでしょうが)。言うなれば吸引力の源は
詰まり部分を察知していません。

豆電球の回路の例では断線すると直ちに両側の吸引力が止まります。この吸引力を発生させている源は
断線を察知して吸引力を停止したように思えます。
なぜにそれが可能なのでしょうか？
というように質問を変更したらどうでしょう。