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電流 (16286 views - Electrical Engineering)

電流(でんりゅう、英: electric current)は、電子に代表される荷電粒子の移動に伴う電荷の移動(電気伝導)のこと、およびその物理量として、ある面を単位時間に通過する電荷の量のことである。 電線などの金属導体内を流れる電流のように、多くの場合で電流を構成している荷電粒子は電子であるが、電子の流れは電流と逆向きであり、直感に反するものとなっている。電流の向きは正の電荷が流れる向きとして定義されており、負の電荷を帯びる電子の流れる向きは電流の向きと逆になる。これは電子の詳細が知られるようになったのが19世紀の末から20世紀初頭にかけての出来事であり、導電現象の研究は18世紀の末から進んでいたためで、電流の向きの定義を逆転させることに伴う混乱を避けるために現在でも直感に反する定義が使われ続けている。 電流における電荷を担っているのは電子と陽子である。電線などの電気伝導体では電子であり、電解液ではイオン(電子が過不足した粒子)であり、プラズマでは両方である。 国際単位系 (SI) において、電流の大きさを表す単位はアンペアであり、単位記号は A である。また、1アンペアの電流で1秒間に運ばれる電荷が1クーロンとなる。SI において電荷の単位を電流と時間の単位によって構成しているのは、電荷より電流の測定の方が容易なためである。電流は電流計を使って測定する。数式中で電流量を表すときは I で表現する。電気工学などで電流はiを用いるため 複素数単位をjで表現する。
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電流

電流

電磁気学


電流
electric current
量記号 I, J
次元 I
種類 スカラー
SI単位 アンペア(A)
CGS‐emu ビオ (単位)(Bi)・アブアンペア(abA)
プランク単位 プランク電流
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電流(でんりゅう、: electric current[注 1])は、電子に代表される荷電粒子[注 2]の移動に伴う電荷の移動(電気伝導)のこと、およびその物理量として、ある面を単位時間に通過する電荷の量のことである[1]

電線などの金属導体内を流れる電流のように、多くの場合で電流を構成している荷電粒子は電子であるが、電子の流れは電流と逆向きであり、直感に反するものとなっている。電流の向きは正の電荷が流れる向きとして定義されており、負の電荷を帯びる電子の流れる向きは電流の向きと逆になる。これは電子の詳細が知られるようになったのが19世紀の末から20世紀初頭にかけての出来事であり、導電現象の研究は18世紀の末から進んでいたためで、電流の向きの定義を逆転させることに伴う混乱を避けるために現在でも直感に反する定義が使われ続けている。

電流における電荷を担っているのは電子と陽子である。電線などの電気伝導体では電子であり、電解液ではイオン(電子が過不足した粒子)であり、プラズマでは両方である[2]

国際単位系 (SI) において、電流の大きさを表す単位はアンペアであり、単位記号は A である[注 3]。また、1アンペアの電流で1秒間に運ばれる電荷が1クーロンとなる。SI において電荷の単位を電流と時間の単位によって構成しているのは、電荷より電流の測定の方が容易なためである。電流は電流計を使って測定する[1]。数式中で電流量を表すときは I で表現する。電気工学などで電流はiを用いるため 複素数単位をjで表現する[3]

概要

狭義には、電位差によって引き起こされる荷電粒子の流れのことを言う[注 4]。これには電磁誘導によって引き起こされる誘導電流もある。

時間的に流れる向きが変化しない電流は直流電流と呼ばれ、時間と共に流れの方向が変わる電流は交流電流と呼ばれる[4]。交流の電流値を表す方法としては、通常実効値が使われる。

物理

電圧と電場は別の概念である。それは単位の違いから容易に分かる。 電場の単位は「V/m」。 電圧の単位は「V」。 「V」はボルト。 「m」はメートル。電場の単位に現れる「m」は自由電子が存在しない空間の距離のことである。電線などの導体物質の内部など、自由電子が存在する空間の距離は含まない。

様々な媒体上の電流

金属

固体電気伝導性のある金属には、伝導電子に由来する移動可能な自由電子がある。それらの電子は金属格子に束縛されているが、個々の原子には束縛されていない。外部から電場が適用されなくとも、それらの電子は熱エネルギーの作用で無作為に動いている。しかしそれらの動きを平均すると、単なる金属内の電流は全体としてはゼロになっている。電線を輪切りにするような方向のある面を想定したとき、その面の一方からもう一方へ移動する電子の個数(時間も任意)は平均すると逆方向に移動する電子の個数と同じになっている。ジョージ・ガモフの科学啓蒙書『宇宙=1、2、3…無限大』(1947年)には、次のように記されている。

金属は他の物質とは異なり、原子の外側の殻がやや緩やかに縛られているため、電子が1個自由となることが多い。そのため金属の中は、あてもなくさまよう難民のような結合していない電子で満たされている。電線の両端に電気力をかけると、それらの自由電子が電気力の方向に猛スピードで移動し、それが電流と呼ばれるものを形成する。

金属の電線の両端を電池などの直流電圧源の2つの端子に接続すると、導体内に電場が形成される。接続された瞬間、導体内の自由電子は電場の影響を受け、正の端子に向かって強制的に移動させられる。したがって固体の導体における典型的な電荷担体は自由電子である。電流が1アンペアなら、電線を輪切りにする任意の面で毎1クーロン電気素量の約 0.6242×1019 倍)の電荷が流れることになる。

定常的に流れる電流 I は次のように計算できる。

ここで、Q は電荷、t時間である。このとき電流の流れる向きは、電線に沿って正の電荷が流れる方向と定められる。

より一般的に表すと、ごくごく短い時間 dt に流れる電荷量を dQ とすると次のように表される。

ここで電荷 Q は電流計によって電流量を測定した区間を流れた電荷の量を表し、ある点に蓄えられた電荷量を表すのではないことは注意すべきである。たとえば電流が流れていても電線の内部は電気的に中性である。

金属以外

固体金属では、電流は電子の流れによって生じ、電位の高いほうから低いほうへと流れる。他の媒体では電子以外の荷電粒子の流れが電流を形成する。電荷担体の種類に依存しない電流の定義のため、一般に電流は正電荷と同じ方向に流れるものと定義される。金属では電荷担体(電子)が負であるため、電流の向きと電子の流れの向きは逆となる。電荷担体が正の媒体では、電流の向きと電荷担体の流れる方向は一致する。

真空においては、イオンや電子のビームを形成できる。他の伝導性の媒体では、正の電荷と負の電荷を帯びた両方の粒子が流れを作り、電流を生じさせる。例えば電解液における電流は、電荷を帯びた原子(イオン)の流れであり、正のイオンと負のイオンの両方が存在している。鉛蓄電池のような電気化学的な電池では、正の水素イオン(陽子)が一方向に流れ、負の硫酸イオンが反対方向に流れることで電流が生じる。火花やプラズマに生じる電流は、電子と同時に正および負のイオンも流れている。半導体では、電流を正孔の流れと見ることもできる。正孔は、半導体結晶内で価電子帯の電子が不足した状態を表したものである。なお、これはp型半導体の場合である。

電流密度

電流密度とは電流の密度の測度であり、断面積あたりの電流を大きさとするベクトルとして定義される。国際単位系では、電流密度は平方メートルあたりのアンペア数 (A/m2) を単位とする。

ここで、I は導体における電流、J は電流密度、A は断面積である。2つのベクトル量のドット積により、電流というスカラ値が得られる。

表皮効果

表皮効果(ひょうひこうか)は交流電流が導体を流れるとき、電流密度が導体の表面で高く、表面から離れると低くなる現象のことである。周波数が高くなるほど電流が表面へ集中するので、導体の交流抵抗は高くなる。

一般に高周波における影響が論じられることが多いが、電力系統など大電流を扱う際にも重要で、直流送電が有利とされる理由の一つでもある。

伝播速度

電流は導体中の電子などの流れによって生じるが、電流と電子の速度には大きな差がある。電流は基本的に真空中の光速に近い速度で伝播するが、それを構成する導体中の電子そのものは非常に遅い流れである[注 5]。例えば断面が 1mm2 の銅線(高周波電流または大電流においては表皮効果が生じる。よってそれらを考慮しないで単に断面積全体で語るのはおかしい)に1アンペアの電流を流した場合、電子は平均的に 0.073mm/s の速度で流れる[5]

導体内を移動する荷電粒子は、気体の粒子のように常に無作為な方向に移動している[注 6]。電荷が全体として流れを形成する場合(導体内の電荷(自由電子)すべてが一斉に移動するわけではない。自由電子が1個だけがマイナス極から出てプラス極へ移動しただけでも立派に自由電子1個分の電流は流れたことになる)、それら粒子は平均流速で同じ方向に移動していなければならない。金属においては電子が電気伝導を担い、一つ一つの電子は導体中の散乱体(原子核やその周りの内殻電子)と衝突を繰り返して不定な経路を辿るが、電子全体を平均すると電場の方向へ流れている。その流れの速度は次の式で表される。

ここで、

は電流
単位体積あたりの荷電粒子の個数(電荷担体密度)
は導体の断面積
流動速度
は各粒子の電荷量

である。固体において電子は一般に非常にゆっくり流れる。例えば、の電線の断面積を 0.5 mm2 とし、そこに 5 A の電流が流れるとしたとき、電子の流動速度はミリメートル毎秒単位にしかならない。別の例として、ほぼ真空のブラウン管内で直線的に移動する電子は、光速の約 10% 程度の速度となる。実際に電子を光速に近づけるには巨大な加速器が必要になる[注 7]

電荷担体が加速され電流が変化すると、導体表面の外に向かって電磁波が発生し光速[注 8]で伝わっていく。例えば交流送電線では、電子は電線内のごく短い距離を行ったり来たりするだけだが、電磁波は送電元から送電先まで光速で伝播する(電磁波は導体にぶつかると自由電子の移動エネルギー、すなわち電流に変換され電磁波自体は消滅してしまう。導体外部の電磁波の電力は数ミリワットから数ワット程度しかない)。しかし、その電磁波の周波数はいまだ解明されていない。ちなみに送電元ではなく送電線から発生する電磁波は交流電流の周波数である。また電磁波で伝わる電力は数ミリワットから数ワット程度のエネルギー量しかなく、発電所から送電する大電力のエネルギー源として電磁波は何の因果関係も持たない。

アンペールの法則

アンペールの法則によれば、電流は磁場を生じさせる。磁場は電流の流れている電線を取り囲む同心円状の線で視覚化される。

電流は検流計で直接測定できるが、この方式では測定対象の電気回路の特性が変わってしまい、好ましくない場合がある。回路に手を加えずに電流を測定する方法として、電流によって生じる磁場を使う方式がある。そのような計器としては、ホール効果センサ架線電流計計器用変流器ロゴウスキーコイルなどがある。

オームの法則

多くの物質では、電流があまり急激に変化しない場合にオームの法則: 電圧=電流×電気抵抗 (V = IR) が成り立つ。つまり、電流はそれが流れる媒体の両端の電位差に比例する。このとき、電流の単位がアンペアなら、電圧の単位はボルト、電気抵抗の単位はオームとなる。 純粋な抵抗負荷を使用し、電圧・電流を実効値で表した場合には、この式は交流でも成立する。

物質に電流が流れると、物質の電気抵抗によって熱(ジュール熱)が発生する。オームの法則が成り立つ場合、単位時間にジュール熱として消費されるエネルギーは電流の2乗と抵抗値に比例する。

規定

正の電荷は電流と同じ方向に流れるが、負の電荷は逆方向に流れる。電流は本来、正または負の電荷(あるいは両方)の流れだが、電流の流れる方向をそれら電荷担体の流れる方向とは独立に定義する必要があった。そのため、規定上の電流の向きは正の電荷の流れる向きと定義されている。

電気回路の導体部分の多くは金属製であり、正の電荷は金属内では移動できず、負の電荷を持つ電子のみが流れる。電子は負の電荷を持つため、金属導体における電子の流れる向きは規定上の電流の流れる向きとは逆になる。

安全性

電流の最も大きな危険は感電である。その危険性は、接触の状態、人体のどの部分を電流が流れるか、電圧などに左右される。少しであればしびれる程度だが、大きな電流が流れると熱傷を引き起こし、最悪の場合心停止になることもある。

また、電流によって生じる熱も危険な場合がある。送電線が過負荷に陥ると火災の原因になることもある。小さなボタン電池と金属製の硬貨をポケットに入れておいたために、それらの接触によって電流が生じ、焼け焦げを生じることもある。ニッケル・カドミウム蓄電池ニッケル・水素充電池リチウム電池は特に内部抵抗が小さいため、取り扱いに注意を要する。

送電損失

遠方の発電所から電気エネルギーを消費場所(各需要家)に届けるまで、送電線や配電線の抵抗により、一部の電気エネルギーがジュール熱として消費され、エネルギーの損失となる。 この損失は電流量の2乗に比例して増大するため、送電側では変圧器で電圧を高めることで電流量を減らし送電途中の損失を減らすようにしている。送電網配電網では需要家に近づくにつれて変圧器で電圧を段階的に落としてゆく。変圧器によって容易に電圧を上げ下げできるため、現在は殆どの送電は交流電流が使われている。 送電損失(送配電ロス)率の低減は、発電電力量の削減による発電用エネルギー資源の節約に貢献する。日本の送配電ロス率は4.8%(2010年度)[6]とされる。

注記

  1. ^ 電磁気学に議論を留める限りにおいては、単に current と呼ぶことが多い。
  2. ^ 他の荷電粒子にはイオンがある。また物質中の正孔は粒子的な性格を持つため、荷電粒子と見なすことができる。
  3. ^ アンペアはSI基本単位の1つである。
  4. ^ 報道などでは「電流」は電気一般を指す言葉としても用いられるが、「千ボルトの高圧電流に触れて死亡した」などは物理学的には誤用である。
  5. ^ 電流を検知するには電子の流量を測ればよく、流れる電子の素性は問われない。従って、電流を流した瞬間の手元にある電子の運動は遅々としていても、遠く離れた先では、電場に作用された別の電子が電流計を通過し得る。
  6. ^ このような伝導電子のモデルを気体モデルという。古典的なモデルとしてドルーデ・モデルがある。
  7. ^ 相対性理論により光速度に近づけるとエネルギーは発散する。しかし、静止質量程度の運動エネルギーを与えれば光速度の87パーセント程度まで到達する。電子の静止質量は511 keV程度であり、この程度であれば加速器としては小型のコッククロフトウォルトン型ヴァンデグラーフ型加速器でも容易に到達できる。
  8. ^ ここでいう光速とは、導体中を伝播する光の速さをいう。物質中の光速は真空中の光速より遅く、その大きさは物質によって異なる。

出典

  1. ^ a b Lakatos, John; Oenoki, Keiji; Judez, Hector; Oenoki, Kazushi; Hyun Kyu Cho (1998年3月). “Learn Physics Today!”. Lima, Peru: Colegio Dr. Franklin D. Roosevelt. 2009年3月10日閲覧。
  2. ^ Anthony C. Fischer-Cripps (2004). The electronics companion. CRC Press. p. 13. ISBN 9780750310123. http://books.google.com/?id=3SsYctmvZkoC&pg=PA13&dq=positive-ions+carrier+current+charge+electrons. 
  3. ^ 電気回路論 (電気学会大学講座) 平山博, 大附 辰夫, 電気学会; 3版改訂版, 2008 ISBN 978-4886862655
  4. ^ 流れる方向が一定でも大きさが変化する電流は脈流と呼ばれる。
  5. ^ "電流は粒子である電子の動きそのものが伝播するのではなく、導体の内外を電磁場の変化が光速で伝播することで電子のゆっくりした流れの先端部が高速で移動してゆくのである。この電磁波は電子などの荷電粒子の動きで生じる"。 廣田, 幸嗣 『電気自動車の本』 日刊工業新聞社、2009年11月25日ISBN 9784526063572
  6. ^ グローバルノート - 国際統計・ランキング専門サイト 統計データ配信 [1]

関連項目



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