どうもみなさんこんばんは、ここじぃです。昨晩述べた通り今回は「回路を流れる電流」について私が最近理解できたことを分かりやすくお伝えしたいと思います。あまりにも基礎的な内容なので見る人が見れば鼻で笑らうかもしれませんが、電磁気を克服した私としては大きな発見で感動したのでこの場を借りてその原理を共有したいと思います。
まず、簡単な回路を想定しましょう。それはこんな感じ、一つの乾電池一つの抵抗一本の導線を用意し導線は適当な位置で２つに切断します。そして直列でそれぞれを繋ぎます、すなわち下図のような感じです。このように真っ直ぐな列をなす様子からこれを直列回路といいます。これで回路の完成です。さて、ここから電流の発生原理を説明したいのですが、まずは電流とか何かから始めましょう。電流とはすなわち電子の流れ、動き、運動といえます。さらに詳しく電子について。私たちの住む世界にある全ての物質は小さな最小単位なるものから構成されています、そう原子です。原子は通常小さすぎて肉眼では観測は不可能ですが実はさらにズームアップしていくと原子というのは中心に原子核というプラスの電気を帯びた粒とそのまわりをマイナスの電気を帯びた粒が円を描いて回っていることが知られています。そして、このマイナスの粒こそが電子の正体であります。この電子の流れがまさに電流なのです、が実は歴史的要因から電子の動いた方向と逆向きが電流の方向と定義されているのです。。。ややこしいですよね(;'∀')
さて次に各パーツの役割を見ていきましょう。まず電池、これは簡単に言うと力(水)の蓄えられたダムと表現しましょう。また電池の両端は知っての通りマイナス極とプラス極があります。これは電池の内部にはある一定の高さがありマイナス側が低く、プラス側が高いと考えます。次に、抵抗ですがこれはダムからの水量を調整する仕切りのような役割があると思いましょう。そして、導線ですがこれは水路のようなものでしょう。しかしただの水路ではありません、水路のいたるところには落ち葉が落ちていて、この落ち葉が電子を指すと思っておきましょう。
さて、ここで最初の直列回路を作るとどのようなことが起こると思いますか？順番に考えましょう、まずプラス極の高い位置のダムから水が勢いよく流れていきます、次に抵抗に差し掛かると水量が適当に調整されます、そして最後にダムの低いところマイナス極に水が到達します。マイナス極に到達した水は電池の中でぐぐぐぐっと再びプラス極のある高い位置まで引き上げられます。これが絶えず繰り返されます、そして落ち葉(電子)は水の勢いを得ることで流れに身を任せてプラス側からマイナス側へと流れていき、ここで電流が初めて観測されるわけであります。ここまでが私なりに初学者でも分かるようにした説明です、ここからは少し小難しい表現も交えて私の気づきについて書きます。
先程の、電池内での水の上昇過程のことを「電池が仕事をした」といいます。電子について、ここでいう電子はこの導線を構成する金属中(銅であったり、様々だが)の電子を指しているのです。また金属を構成する原子には特徴があり、それはいくつかの電子はそれぞれある一定の円軌道をくるくる回り続けるのですが、一番外の軌道にある電子はこの法則にそむき導線内を自由にあっちこっちに移動できるようになっているのです。これこそが、電流の元となる電子でありその様子から自由電子という名も付いています。通常、金属内の自由電子数というのは膨大な量であります、且つ電子はありとあらゆる方向へと動き回るので全体で見ると(平均すると)電子の動きはゼロとみなせるため、電流は存在しないのです。さあ、そこで電池の登場。この電池が電場(E)という電子のある空間全体を特徴づける役割を果たし、その空間に力を生み出すのです。具体的には、F=qEという特徴があります。ここでFとEはベクトルであり、qとは電子一つのもつ電気量です。また、電場(E)は高い位置から低い位置へベクトルが向く習性があります。つまり、今回の回路で電池のプラスからマイナスへ向かって導線の向かっている方向と平行に電場が生じるのです。そしてF=qEよりFとEは本質的に等価なものと考えるべきでしょう、つまりEの向かう方向と同じ向きに力Fが生じるわけです。この電場により、不規則に動き回っていた自由電子たちは、一斉に導線の沿う向きに向かって動き出し、これこそが電流であると結論づけられたのです。
いかがだったでしょうか、ここで出てきた電場という概念は私の中で最も理解に苦しんだ内容でした、今回の説明で少しでも同じ苦しみを味わっている人が理解へと繋がれば良いなと感じております。この記事だけでなく、いろんな参考書に目を通して理解していくのがベストだと思います。それでは今回はこの辺で、次回はまた近日中に物理関連の記事を書くと思いますので、その日まで！お疲れ様でした！
