早 流 と電圧 電気を考える時 =必 ず電流と電圧が出てきますね .ま ずは 電流と電圧がどのようなものなのか ,簡 単に見ていきましょう , . 電流 とは 電流は ,図 1.1の よ うに銅線 に流れ ます。 「電流」とは ,い ったい何 が流れ て い ることなのか ,少 し考 えてみ ましょう。 ＼Ч 図1.1 電池 から電流が流れて電球が光 っている 実際に電流の流れている銅線 を ,非 常に大 きくしてみ ます (図 1.2).す る と,こ の銅線の 中には ,「 電子」が流れているのが分か ります。そうなのです , 電子の流れ こそが電流なのです。 f① 可 ´ =⑬ 図 1.2 銅線 の 中 を電子 が流 れてい る様子 >1[】 にとは ￨￨ 原子の構造 それでは ,電 子とはいったい何で しょう。 みなさんが目にしているものは ,す べて「原子」でできています.化 学で聞い 化学が苦手 な人は ,名 前を聞いただけで嫌気 がさすかもしれませんが ,そ ん な心配は無用です。元素記号 とか番号 を覚 える必要なんてありません。 ただ , これからお話 しする原子の作 り(構 造)を 考えるだけですから,頑 張ってこの先 を読みま しょう。 図 1.3は ,ヘ リウム原子のモデルです.「 原子核」と,「 電子」で構成 されてい ます . /軌 道 (電 子の通 る道 ) 原子核 図1.3 ヘ リウム原子 の モデル .原 子核 と電子 で構成 され る 「原子核」は ,正 (プ ラス)の 電気 を持 っています .ま た ,「 電子」は負 (マ イナ 「陽子」と呼ばれ るも ス)の 電気 を持 っています。 (正 確 には ,原 子核内部 にある のが正の電気 を持 っています ) 原子核 の周 りには ,決 め られた軌道 (電 子 が回 ることので きる通 り道 の こと) を ,そ の原子 に固有 な数の電子が回っています。例 えば ,ヘ リウムで は ,原 子 核 の周 りを2個 の電子が回 って います .実 は ,「 原子番号」と「電子 の数」は等 し いのです .ヘ リウムHeは ,原 子番号2で す。 >嘔口捌 にと:ま 判 電 流と電 圧 「水素」や「ヘ リウム」などです。 たことのある 「原子核」の 関係 をみ ま しょう。「原子核」は 1つ しかない 次 に ,「 電子 の数」と ように見 えます が ,原 子核内に電子 の数 と同 じ量の「陽子」と呼ばれ るものが入 って い ると考 えます .で す か ら,図 1.3の ヘ リウムのモデル図の ように ,原 子 核 には「+2」 と書 かれ ているわけです (陽 子 の数 =電 子 の数 =原 子番号 ). 普段 は ,原 子 とい うのは ,電 子 の数 と陽子の数 が同 じです .電 子は負 の電気 を持 ち ,陽 子 は正の電気 を持 って います。つ まり , 陽子 の数 (正 )+電 子の数 (負 )=0 なのです。ちょうど電子の マ イナスと ,陽 子 のプラスが互 いに打 ち消 し合って , 電気的特性 を持 たない「 中性」になっているのです。 例 えば ,ヘ リウムの場合 は , +2+(-2)=0 陽子 電子 です。中性 とい うのは ,電 気 を流す役 目を持たな い状態 です。 電子を飛び出させる では ,ど の ように したら電気を流すものになるので しょうか。 答 えか らい うと,「 電子を原子核の周 りの軌道 か ら外 して ,飛 び出 させるこ と」です。飛び出 した電子は ,流 れることがで きます。先ほどお話 ししたよう に ,電 流 とは「電子が流れること」で したね。 では ,ど の ようなことで電子は飛び出すので しょう.ま ず ,電 子 と原子核の 結びつ きから考えましょう。 電子は「負」の電気を持ち ,原 子核は 「正」の電気を持っていました.こ の正・ 負 には ,次 の ような関係 があるのです . ① :正 と負は,互 いに引き合 う力が働 きます.(原 子核 と電子のことですね) ② :正 と正または,負 と負どうしは,反 発 し合 う力が働 きます。 l… 生― ― ― ― ― ―― ― ③:① と②の力は,距 離が近いほど強く,逆 に遠いほど弱いのです . これ らの 関係 は ,ち ょうど図 1.4の 磁石 の 関係 に似 ています。磁石 のNを 正 ,Sを 負 と考 えれば ,全 く同 じ事 がいえます . 中 S F-rcx, 反発 し合 い ます 中 ‐ S け 麟」 図1.4 S 磁石 で考 えてみよ う 自由電子 原子核 と電子は ,互 いに引 き合 う力で結びついてい ました。では ,こ の結 び つ きを壊 し,回 って いる軌道 か ら ,ど の よ うに して電子 を外すので しょうか ? 何 もしなければ ,電 子 は飛 び出 しません。そ こで ,誰 かが原子核 と電子 の引 き合 う力よりも,大 きな力を加 えてあげれば いいのです .図 1.5の ように ,引 き合 う磁石 の片方 の磁石 を ,誰 かが引 き離す ことと同 じです。引 き離 されてお 互 いの距離 が遠 くなると ,引 き合 う力はな くなって しまいます。 図1.5 磁石 を引 き離す 電流と電 圧 引きつけ合 います ‐ 電子 を引 き離 す ための 力は ,例 えば ,外 部 か ら強い光 を当てる 「光 エ ネル ギ ー」や ,熱 を加 える 「熱 エ ネル ギ ー」などです . 図 1.6(a)は ,シ リコ ン(ケ イ素 :Si)の モデル図です。 シ リコ ンは ,原 子核 を 中心 に ,電 子 が合計 14個 回 ってい ます。 内訳 は ,3つ の軌道 に内側 か ら電子2 個 ,8個 ,外 側 に4個 です . ギ． ／ レ ブ ネ 図1.6(a)シ リコン原子 モデル 3つ の軌道 (b)外 部 エ ネル ギ ー で電子 が飛 び 出す 一番外側の軌道 を回 る4つ の電子は ,原 子核 との距離が離れています。その ため結びつ こ うとす る力が一番弱 いので ,こ の4つ の電子は ,内 側2つ の軌道中 の電子 よ り,飛 び出 しやす くなって い ます。 とい うことは ,外 か ら力が加わる と ,こ の4つ の うちの どれかが飛び出す ことにな ります . こ うして飛び出 した電子 の ことを ,特 別に自由電子 と呼びます。自由電子は , 名前 の とお り物質内を自由に飛び回 ることので きる電 子 なのです。 また ,「 電子が原子核 と離れ るための エ ネル ギ ーの大 きさ」は ,原 子固有 の も のです か ら,す べ ての原子で一定ではありません . 原子 のイオン化 態 です。図 1.6(b)の 場合 ,電 子 が1つ 外へ飛 び出 しているのですか ら,原 子 のバ ランスは ,陽 子の方が多いことになります 「陽子」 「電子」と 内に残っている . +14+(-13)=+1 1 陽子 の数 1 電子 の数 陽子 は ,正 の電気 を持 っていま したので ,全 体的 に正 になった といえます。 そのため ,シ リコン原子 は電子が 1つ 飛 び 出 したことによって ,「 正 イオ ン化」 しています。 逆 に ,「 負 イオ ン化」とは ,電 子をどこか らかもらってきた状態 です .陽 子 (正 )の 数が変わ らず ,電 子 (負 )が 増 えるのですから,全 体のバ ランスは負にな ったわけです . 正イオン化 >原 子の イオ ン化 ■ 電流と電 圧 「原子核の数」のバ ランスが崩れている状 イオ ン化とは ,原 子の「電子の数」と 電荷 先ほどからお話に出てきている 「電子の持っている負の電気」ですが ,こ れは 電子が持っている 「電気の荷物」と考え電荷 と呼ばれます。電子 は ,負 の電荷 を 持っているのです。電子が ,負 の電気をリュックサ ックに詰めて背負ってい る ようなイメージですね。 電子 君 、 、 ぃ 負電荷 負電荷を背負う電子 電子の「質量」と 「電荷」は次の ようになっています . 9.1× 10 電子の質量 電子の持つている電荷 31[kg] 1.60X10 19[C] (■ :マ イナスの電荷) 電荷 の単位 [C]は ,ク ーロンと読み ます。 また10 31と ぃ ぅのは , 10-31=1031 とい う非常に小 さな数 字にな り,電 子 の質量 が非常に小 さい とい うことが分か ります。 電流 の表 し方 . 1[A]と は,あ る断面に1[sec](秒 )の 間 に1[C](ク ーロン)の 電荷 が流れる ことと定義 されています。 電流 f[A],電 荷0[C],時 間′[s]と して3つ の関係を式にすると , I IAl=器 … … … … … … 同 式 となります。 急に会 いたい H劇 =器 が ο判 の物 こ変形しま二 「」をかけます 「0=」 になるので1両 辺に 「t」 をなくせば 分母の . I× f=♀ × r 「t」 は約分 して消 えますから 右辺 の , fr=o とな ります .両 辺 を入 れ換 える と 1 ο =ff[C] となります.こ の式 を左 から読んでい くと,「 =(イ コール)」 をカタカナの「二」と 見立 てれば , 「急に会いて一」 となり,こ の公式が覚えやす くなりますね.な んだか急に誰 かに会いた くなって きま したね . ―⊇?翌 1判 ―――― 電流 と電 圧 電流 は ,一 般的 に英記号「r」 ,単 位 は[A](ア ンペアと読みます)で 表 します 電流と電子の流れる方向 電流が流れるということは ,「 電子」が流れることで した。 しか し,電 子が 「方向Jは ,電 流の流れと逆です。 流れる 図 1.7は ,電 池 に電球 をつ ないで光 らせている回路 です。図 1.7で は ,「 電 「電子の流れる方向」は ,正 反対であることを表 しています。 流の流れる方向」と 電流の流れる方向 図1.7 電流 と電子の流れる向きに注意 ! 電流 の 流 れ る方 向 は ,電 子 の持 って い る電 荷 が分 か る 前 に決 め られ て い ま し た 。電 子 の 電 荷 が電 流 の 流 れ と反 対 だ っ た ことは ,後 に な って発 見 され たの で す .し か し ,電 流 の 流 れ る方 向 は ,す で に世 界 中 に広 まって いたの で ,変 える わ けに はい か なか ったの で し ょう。 「電子は ,マ イナスの電気を持っていますか ら,電 池のマ イナスか ら飛び出 し,プ ラスに引かれるように移動 します」。また「電流は ,電 池のプラスか らマ イナスに流れますJ。 この ように考えれば ,そ んな昔のことを考えなくても,つ じつ まは合いますね。 ― 雪 受り1警コ ____ r9士・ ただけたと思います。 実 は ,電 流 (電 子 )を 流す には ,電 気 の圧力すなわち電圧 が必要 なのです。で はい ったい電圧は何 を しているので しょうか . 例 えば ,水 道 か ら水が流れ るには ,水 圧が かか って いないと流れ ません.そ れ と同 じように ,電 圧 がなければ電 流 は流れないのです . 違 う例 えで 言うなら,病 院 でのあの痛 い注射 を思 い浮 かべ るといいで しょう . 注射器を強 く押す と ,中 の薬 は針の先か ら勢いよく飛び出 します .押 した注射 の圧 力を電圧 ,出 てきた薬 を電流 だと考 えるわけです。 出てくる薬 (電 流 ) ″ Ｆ胸 叩 水圧 が かかっている 図1.8 電圧 を例 える 次 に ,電 圧 と電 流 の 大 き さの 関係 は ,ど の よ うに な って い るか を考 えてみ ま し ょう。図 1.8の 例 で ,水 圧 や注射器 を押 す指 の 強 さが大 きけれ ば ,出 て くる 水 や薬 の 量 も多 いの は想 像 がつ きます ね .電 圧 と電 流 に も同 じこ とが い え るの で す 。電 圧 が大 きければ ,比 例 して電 流 も大 き くな る ことに 気 が つ い たで し ょ うか . 刊 電流 と電 圧 今 までお話 しして きて ,「 電流 とは ,電 子の流れ」であることは ,お 分 か りい 図 1.9(a)の 高 い ところにある水槽 の水 は下 まで流れ ます。水 は ,高 い とこ ろか ら低 いところに向かって流れ ます。言 い換 えると ,水 位 の高 い ところか ら 水位 の低 い ところに向 か って水は流れ ます。図 1。 9(b)の ように水位 が同 じな ら水は流れ ません。 この水位 を ,電 気 の世界では電位 と呼び ,水 位 と同 じように考 えることがで きます。電 流 は ,電 位 の高 いところか ら,電 位 の低 い ところに向かって流れ ま す。 また,電 位の差を 「電位差」と呼び,単 に 「電圧」とも呼びます。 ￨ : ‐ 水位の差 (電 位差.単 に電圧) _￨_ 低水位 (低 電位) (a)高 いところから低 いところへ流れる (b)同 じ水位 (■位 )だ と流 れない 図 1.9 電位 電圧の表 し方 読みます)を 使 い ます.「 電源の電圧」を表す時には ,英 記号「E」 を使 い ,そ の他 の電圧を表すには「y」 を使 う場合 が多いようです。 また電圧の大 きさを表す場合は ,基 準 (0[V])と 決めた場所からの大 きさを いい ます。従って ,基 準をどこにするかによって ,電 圧の大 きさは変わります . 基準 とは ,0[V]と 決めたところです。 図 1.10(a)を 見てください。「基準」をA点 またはB点 と決めた場合 に ,C点 の電圧の大 きさは次のようになります。 (a) 図1.10(a)基 準によって表現が変化する電圧 ①A点 が基準 A点 が基準 の時のC点 の電圧は ,A点 か らC点 までは ,1.5 [V]の 電池が2 つ ありますから , 1.5[V]+ 1.5[V]=3.0[V] となります。 ② B点 が基準 >電 圧の表 し方 電流 と電 圧 電圧または電位差は普通 ,英 記号「E」 や「y」 で表 し,単 位 には[V](ボ ル トと B点 が基 準 の 時 のC点 の 電 圧 は ,B点 か らC点 まで は ,1.5[V]の 電 池 が 1つ あ ります か ら , 1.5[V] となります . ③負 の電圧 次 に ,「 負 (マ イナ ス)の 電圧」とは ,ど の ような ことをい うので しょうか ? 図 1.10(a)で ,基 準 (0[V])を B点 に した時 のA点 の電圧 は ,1.5[V]の 電池 1つ 分だけ低 い電圧 です。 この場合 ,B点 は0[V]で ,A点 はそれ よりも1.5[V] 低 いわけです か ら , -1.5[V] と表 します。 つ まり ,図 1.10(b)の ように ,ビ ルの何階 を基準 にす るかによって ,人 の 居 る場所の表 し方 が違 うの と同 じことです。 B君 を基準 に した場合 ,C君 はB君 か ら見ると上方向 (正 )に 30[m]の ところ に ,ま たA君 はB君 か ら見 ると ,下 方向 (負 )に 40[m]の ところに見 えます。 この ように ,基 準 (0)を どこにす るかで ,表 現 の しかたが変わるのです C君 のいる場所 ￨ 30[m] 嵐 70[m] 40[m] 只 」_摯 1望 (b) 図 1.10(b)基 準 に よ って 表 現 が変 化 す る >電 圧の表 し方 .
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