電流が存在する条件
まず、電流とは何かという質問に答えましょう。単純な卓上バッテリーは、それ自体では電流を生成しません。また、テーブルの上に置かれた懐中電灯では、何の理由もなく LED に電流が流れることはありません。電流が発生するには、どこかで何かが流れ、少なくとも動き始めなければなりません。そのためには、懐中電灯の LED とバッテリーの回路が閉じる必要があります。それもそのはず、昔、電流は特定の帯電した液体の動きに例えられました。
実際、私たちは今これを知っています 電気 — これは荷電粒子の方向性のある動きであり、現実に近いものは荷電ガス、つまり電場の作用下で移動する荷電粒子のガスです。しかし、まず最初に。
電流は荷電粒子の方向性のある動きです
つまり、電流は荷電粒子の運動ですが、荷電粒子の無秩序な運動も運動ではありますが、それでも電流ではありません。同様に、常に熱運動をしている流体分子は、静止している流体全体の変位の合計が正確にゼロであるため、電流を生成しません。
流体の流れが発生するには、全体的な動きが発生する必要があります。つまり、流体分子の全体的な動きが方向付けられる必要があります。したがって、全体積の方向性のある運動に分子の無秩序な運動が加わり、液体全体の流れが生じます。
状況は電流と同様です。荷電粒子の方向性のある動きは電流です。たとえば、金属中の荷電粒子の熱運動の速度は秒速数百メートルで測定されますが、方向性運動では、導体に特定の電流が設定されている場合、粒子の一般的な運動の速度は秒速で測定されます。部分とミリメートル/秒の単位。
したがって、10 A に等しい直流電流が 1 平方ミリメートルの金属線に流れる場合、電子の規則正しい動きの平均速度は 1 秒あたり 0.6 ～ 6 ミリメートルになります。これはもう感電しますよ。そして、この電子のゆっくりとした動きは、たとえばニクロムのワイヤがよく加熱するのに十分であり、次のようになります。 ジュール・レンツの法則.
粒子の速度は電場の伝播速度ではありません。
電流はほぼ瞬時にワイヤ内で体積全体にわたって始まり、この「動き」はワイヤに沿って光の速度で広がりますが、荷電粒子自体の動きは 1000 億倍遅いことに注意してください。液体が流れるパイプに例えて考えることができます。
例えば水など、長さ 10 メートルのパイプに沿って移動します。水の速度は毎秒わずか1メートルですが、流れは同じ速度で広がるのではなくはるかに速く、ここでの広がりの速度は液体の密度とその弾性によって決まります。したがって、電場はワイヤに沿って光の速度で伝播し、粒子は 11 桁遅く動き始めます。以下も参照してください。 電流の速さ
1. 電流の存在には荷電粒子が必要です
金属および真空中の電子、電解質溶液中のイオンは電荷キャリアとして機能し、さまざまな物質中での電流の存在を保証します。金属では、電子は非常に移動しやすく、結晶格子のノード間の空間を満たすガスのように、電子の一部は原子から原子へと自由に移動できます。
電子管では、電子は熱電子放射中に陰極から出て、電場の作用を受けて陽極に流れ込みます。電解質では、分子は水中で正と負に帯電した部分に分解され、電解質中で電荷キャリアイオンがなくなります。つまり、電流が存在できる場所には、自由に移動できる電荷キャリアが存在します。 電界…これが電流の存在、つまり自由な電荷担体の存在の最初の条件です。
2. 電流が存在するための 2 番目の条件は、外部の力が電荷に作用する必要があることです。
ここでワイヤー、たとえば銅線を見ると、その中で電流が発生するのに何が必要か、と自問できます。荷電粒子、電子があり、それらは自由に移動できます。
何が彼らを動かすのでしょうか？荷電粒子は電場と相互作用することが知られています。したがって、ワイヤ内に電場を作成する必要があり、ワイヤの各点で電位が発生し、ワイヤの両端間に電位差が生じ、電子が場の方向に移動します。 «-»から«+»への方向、つまり電界強度ベクトルとは逆の方向です。電場は電子を加速し、その（運動および磁気）エネルギーを増加させます。
その結果、単純にワイヤの外部から電場が印加されたと考えると（力線に沿った電場の中にワイヤを置きました）、電子がワイヤの一端に蓄積し、そこにマイナスの電荷が現れます。電子はワイヤのもう一方の端から移動するため、その端には正の電荷が生じます。
その結果、外部から印加された電界によって帯電した導体の電界は、外部電界の作用を弱める方向になる。
電荷の再分配プロセスはほぼ瞬時に継続し、完了後、ワイヤ内の電流は停止します。導体の内部に生じる電界はゼロになり、両端の力は外部から印加される電界と大きさは等しくなりますが、方向は逆になります。
導体内の電界がバッテリーなどの直流電源によって生成される場合、そのような電源は導体に対する外力の発生源、つまり導体内に一定の EMF を生成する電源になります。そして電位差を維持します。明らかに、電流が外部の力源によって維持されるためには、回路が閉じられている必要があります。