電流はなぜ光速で伝わるのか|電流の速度≠電子の速さ

電流はなぜ光速で伝わるのか|電流の速度≠電子の速さ 物理

「電子の速度はカタツムリくらいなのに電流はなぜ光速で伝わるの? 電流はところてんと同じ理論って本当? ポインティングベクトルって何? 物理学って何だか難しそうだな…」

こういった疑問に物理学修士&MBAの筆者が解説します。

結論

電流は電磁波が伝えているので光速で伝わります。詳細は本記事にて解説します。

本記事の参考文献

本記事の内容

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電流はなぜ光速で伝わるのか

電子の流れる速度

電流は電子が流れであることを知っている人も多いと思います。しかし、電子は電線の中を時速約4mとカタツムリの歩くスピードくらいなのです。なぜ電子の流れるスピードはこんなにも遅いのに、電流はなぜ光速で伝わるのかを「電磁波」と「ところてん」で解説します。
ちなみに電子の流れる速度をドリフト速度といい上写真の式:電流÷(電子の電子×電子の数×電線の断面積)で求められます。

電磁波

電磁波

電磁波とは電場と磁場が交互に発生することで伝わるエネルギーです。上写真のように電線のなかを電流が流れると、その周りに磁場ができます。さらに回路に電流が流れる時、電流は電池のプラス極から出て、マイナス極に帰ってくるので、行きはわずかにプラスに帯電します。そして帰りはわずかにマイナスに帯電します。 すると上写真のように平行している電線の間 には電場ができ、電気力線が走ります。これが電場と磁場が交互に発生する原理なのです。
さらに深い議論をすると、電場は電気力線に沿った電場ベクトル、磁場は磁力線に沿った磁場ベクトルで表わすことができます。これらをベクトル的に掛け合わせたものを「ポインティング・ベクトル」と呼びます。ポインティング・ベクトルが電磁場のエネルギーの流れの正体なのです。つまり電流のエネルギーの正体はポインティング・ベクトルなのです。
ちなみにポインティング・ベクトルはエネルギーのほとんどは電線の外側にあり、電線に抵抗があると、ポイン ティング・ベクトルは電線に少し流れ込むのです。そのため、抵抗がない超伝導では、電線のなかには電場は存在しないので、ポインティング・ べクトルは電線の中にはありません。
下写真では電池のプラス、マイナスの電極から出たポインティング・ベクトルが、電球に流れている様子が確認できます。

ところてん

ところてん

学校で電流はところてんの原理で流れると聞いたことある人もいるでしょう。しかし、電流をところてんに例えるのは間違っているのです。
上写真のようにピストンを押すと端っこからところてんが出てくるので、ピストンの押し出しからところてんの出口まで一瞬で力が伝わっていることになります。これを電線の中に電子がたくさんつまっている場合に置き換えると、電池から電球まで一瞬で電子が伝わることになります。しかし、電線内をランダムに飛び回っている電子の速さ(フェルミ速度)は光速の0.3%ほどであり、さらに電子が押し出されて伝わる速度は(電子気体の速度)は音速くらいなので無視できるので、ところてんの理論では光速の0.3%にしか到達できないのです。これが学校の先生が教える「電流はところてんのように伝わる」の間違いなのです。

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