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2018年12月12日 (水)

電流が伝わる仕組み(ケーブル妄想6)

 電流の流れる仕組みについては、単に電圧がかかると電流が流れるという単純な説明から量子力学に突っ込んだものまでいろいろなレベルでの説明があります。

 電気が伝わる速さに着目し、例えば電池と電球がつながった回路でスイッチを入れるとすぐに電球が点くことの説明として、こんな感じのものがあります。

 電流の実体である自由電子の平均移動速度は電子の電荷と流れる電流から計算すると非常に遅く、mm/s以下のオーダーです。ですので、電池やスイッチのところから電子が電球等のところまで移動しようとすると数分~数十分オーダーの時間がかかってしまい、現実と合いません。

 そこで、例えば中に水の詰まったホースの片方を蛇口につないで水を出すと、蛇口から出た水がホース内の蛇口に近い部分の水を押し、その水がさらに隣の水を押し、次々に押し出していくことによって、ホースの先からすぐに水が出るというモデルで説明される場合があります。これをトコロテンモデルといいます。

 しかし、トコロテンモデルを考えて、電子が隣の電子を次々と玉突きで押していくと考えたとしても、それでは電流が流れる速さは音速となり、mm/sオーダーよりは早いですが、実際に電流が伝わる速さには遠く及びません。したがって、トコロテンモデルは場合によっては比喩として有効な場面があるかもしれませんが、電流が流れる仕組みの理解としては間違っています。


 そこで、電流が伝わる速さを説明するためには、スイッチを入れた瞬間に、電子を動かす指令・情報が伝わると考える必要があります。光子が伝える電磁場によって電子が力を受け、電流が生じるのです。


 ちょっと文章がへたくそですが、ここで説明が完了します。

 しかし、ケーブルの振動によってオーディオの音質が変化することを知っているオーディオマニアの私としては、大きな疑問を感じます。もちろん、電磁場によって電流が生じることに異議があるわけではありません。湧き上がる疑問は

 では、電子はトコロテン式の運動をしないのか?

というものです。

 つまり、電場からの力ではなく、撃力のようなニュートン力学的な力によってケーブルのある部分の電子を運動させたとき、その運動が隣接区間の電子にトコロテン式に伝わっていくのではないかということを考えます。もしそうなら、音速で電子が移動していくことになりますが、どうでしょうか?もっとも、自由電子の挙動は気体分子とは違うので、もしかしたら的外れな妄想なのかもしれません。

 しかし、前回も書きましたが導線をつくる金属イオンの方は間違いなくトコロテン式の運動をします(固体中の音波・縦振動)。このことによる自由電子への影響はあるに違いありません(これがコリジョンードラッグ効果?)。これも、振動と電圧の変換現象の一部を担っているのではないか、疑っています。


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