電気はどのくらいの速さで流れるの? 光とほぼ同じスピードだよ?

電気の流れる速度はどれくらいかご存知ですか?今回はこの辺を判りやすく説明します。

電気は、ほぼ光と同じスピードをもっています。光の速度は秒速30万km。1秒で地球を7まわり半もする速さです。


また、光と同じスピードをもつものはほかにもあります。たとえば、電波です。これも目には見えませんが、トランシーバーや、コードレスホンが利用できるのは、目に見えない電波のおかげです。この電波も光と同じスピードで流れています。

電流の速さは光の速さと同じ?


電気の伝わる速さ
何百メートルも離れた所にある電燈でも、電気のスイッチを入れればその瞬間に点灯します。
これは、電流が流れたことによるものです。
まず、光速は毎秒約30万キロメートルと定義されています。
地球の周囲が一周で約4万kmなので、光の速さは一秒間に地球を7周半することになります。
時速に換算すると 300,000km×60(秒)×60(分)ですから、時速=1,080,000,000km/h になります。10億8000万km/hです。
電流の速度を考える時に 「電流の速さ=電流の流れる速さ」と考えてはいけません。
「電流の速さ=電流の伝わる速さ」と考える事の方が分かり易くなります。
「電流の伝わる速さ」というのは光速と同じと考えられています。

電子のスピードは以外に遅い


一般的に電子のスピードはとても遅くてカタツムリの進む速さより遅いといわれています。
その速さではとても光の速さと同じにはなりません。
何しろ電子の大きさが非常に小さいものですから、1個の電子がどんなに速く移動したとしても大したものではないと考えられます。

なぜ光の速さと同じになるのでしょうか

ところてん方式による説明

いま仮に最初の子供を A君、最後の子供を B君としてすべての子供たちが 右を向いて一列に並んでいると思って下さい。
そして、今からすべての子供たちを今と逆の左に向かせる時に、ところてん方式では最後のB君に小さな声で「左向け左」と伝えて、それを次々に次の子供に伝えて繰り返す方法といえます。
しかし、この説明ではある程度の速度になりますがとても、光の速さになるという説明をするには無理があります。

命令を伝えるもの


そこで考えられるのは、右を向いて一列に右を向いている子供たちを指揮する先生が、子供たち全員に対して「左向け左」と伝えることです。
このようにすれば全員がほぼ同時に左に向くことが可能になります。
電流の伝わる速さはこのように何らかのエネルギーが電線内のすべての電子に対して命令を,伝えていると考えれば良いのではないでしょうか。
この命令に相当する何らかのエネルギーは電界と磁界の作用なのではないかと考えられます。電界と磁界つまり電磁場がこの役目をしていると考えられます。
いまスイッチがOFFからONになった瞬間に、電磁場が光速で伝わるので一斉に向きを変えると考えるのが良いでしょう。

電気の伝わる速度は光の速さと同程度なのか

結論からいいますと、電気の伝達速度(電気信号の速度)はおよそ秒速30万kmとおよそ光速と同じといえます。

なお、電気が伝わることは、厳密には電子が流れる(電流が流れる)ことによって起こります。
ただ、電子が移動する速度と電気の伝達速度は一致しません。
実は電子が移動する速さは遅く、秒速数mm程度といえます。電子が移動することで、玉突き現象のようにもう一方の端の電子が移動することをイメージするといいです。

結果として、電気の伝達速度は光速ほど速いが、電子の動く速度はそのままでであるというような現象が起こっているのです。

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電気の速度は時速にするとどのくらいなのか

それでは、具体的なイメージをもつためにも、この電気信号の速度を時速であらわすとどの程度なのか考えてみましょう。
上では電気の伝搬速度は、秒速30万キロメートルと光速と同等であることを記載しました。
ここで、1時間=3600秒であるため、30万×3600=時速10億8000万kmとなるのです。いかに「電気の伝わる速さが速いのか」が理解できたと思います。

電気が地球一周するのにかかる時間は?

それでは、電線が地球一周に配備され、そこに通電した場合にかかる時間も考えてみましょう。
地球一周の長さはこちらでも解説していますが、約4万kmといえます。
よって、通電された電気の速さ30万キロ/sで移動した場合は、4/30=0.133秒程度で地球一周するといえます。

まとめ

ここでは、電気の伝搬速度(秒速)、時速に変換したときの電気信号の速さ、地球一周するのにかかる時間について解説しました。
電気が伝わる速さは、約秒速30万キロメートルと、光速とほぼ一致します。
このとき、電気の伝搬速度は電子の移動する速さとは異なります。
電子自体が移動する速さは大して速くなく、この電子が玉突きのように起こるため、電気信号の速度としては非常に速くなるといえます。
なお、この電気の伝搬速度で移動した場合、地球一周するのに要する時間はおよそ0.133秒ほどと非常に速いです。
普段の生活で電気をつけるときにも、上のような現象により電気が流れてきていることをイメージし、毎日の生活をより楽しんでいきましょう。

電気の速さ

電池に極めて長い導線をつないではるか彼方に電球を取り付ける。そこで電池のそばのスイッチを入れると電球はいつ点灯するか。
電球は即座に点灯する。電気は即座に到達するのである。もちろん光速を超えるわけではないが。
しかしこのときに電池から電子が光速に近い速さで電球まで走ったわけではないことに注意しなければならない。
え?どういうことだろう。
スイッチを入れて電球が点いた瞬間、電池から出た電子そのものが光速で電球に達して点灯させたのではなく、もともと電球のフィラメント内にあった電子が動いて発光したのである。
小学生にでも分かるような喩えを使えば、電子はホースの中にぎっしりと詰まって並んでいるビー玉のようなものである。スイッチを入れた瞬間にビー玉は一斉にプラス極方向へ走るのである。つまり電池のそばで電子が動くのと遠くで電子が動くのとほぼ同時なのである。このことは蛇口に長いホースがつながれ、中に水が詰まったままであれば、蛇口をひねると同時にホースの先から水が流れ出るのと同じことである。
今の場合は直流であるが、交流の場合はどうだろう。
交流の場合は1秒間に数十回プラス、マイナスが交代する。つまり、数十分の1秒間は回路内であまねく電子は一斉にある距離だけ右方向へ動き、ついで数十分の1秒間左へある距離だけ動き、と繰り返すのである。決して個々の電子がはるか彼方へ光速で走り、また逆のはるか彼方へ光速で走るという気の遠くなる目まぐるしいことをしているわけではない。ちょっと左右に行ったり来たりしているだけである。
個々の物質そのものが到達するわけではないが、その物質の運動のパターンが次々と隣りの物質に伝わり続けていく現象を「」という。
水面の波を観察すると、水の分子はそれぞれ遠くへ流れて行くのではなく、その場所で上下運動をしているに過ぎないことがわかる。しかし隣り合う水の分子は次々と運動を伝え、水面は総体として波を広げていくのである。
音波も同じである。空気の分子は極めて短い距離内で振動するだけである。鐘の表面の空気分子が私の耳まで飛んでくるのではない。鐘に隣接する空気分子から順々に押され、引かれして振動パターンが伝わってくるのである。
交流はまさしく音波のような波である。直流も波長が無限大の(片方向だけへの)波であるということができる。電気とは電子が直接到達することに意味のある現象ではなく、電子の運動パターンが伝わる「波」――ただ、電子が一つ一つ隣りの電子を押していくというよりも、全体として一気に動くという特殊なものであるが――の現象なのである。
電子の速度自体は秒速数十センチ以下と言われる。あいた口がふさがらないほどの反常識的な数字である。しかしそれで電気が光速で伝わることに何の支障もないということはもうお分かりだろう。

電気の流れにもいろいろなことが起きるようですね。小学生のみなさん、どうでしたか。

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