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2018年12月

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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2018年12月 4日 (火)

電気抵抗の原因について(ケーブル妄想5)

 ケーブルによる音質変化について、妄想を続けます。

 「電気抵抗が生ずる原因」については解明されており、その解説も、容易に探すことができます。ネットで検索するなら「超伝導」を絡めた語句で検索したほうが電気抵抗に関するわかりやすい解説が見つかると思います。超伝導現象を理解するためには電気抵抗が生じる機構を理解することが必要であるからです。

 結晶格子のランダムな熱振動により正の電荷をもった金属イオンがランダムに振動し、それによって電圧の方向に加速しようとする自由電子の運動をランダムに乱すという機構が電気抵抗の原因とされています。そのほかに、不純物や格子欠陥による電子の散乱も電気抵抗の原因となりますが、常温の電線の場合は前者の熱振動が主要な原因となります。

 こういった解説はたくさん書かれています。そのような解説を読むと話はここで完結したり、超伝導が起きる機構についての説明に続いたり、電気に関する別の解説に移ったりします。

 ここで、私は、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者として、このような解説を読むと次のような疑問を感じます。

 では、結晶格子(金属イオン)がランダムではなく、規則的に振動したらどうなるのか?

もちろん、ランダムな熱振動をしないという意味ではありません。ランダムな熱振動をしつつ、ランダムな振動による平均位置が規則的に振動するという意味です。

 ケーブルが機械的に縦振動している状態とは、結晶格子が規則的にし移動している状態であり、振動すなわち音波であるため、結晶格子の振動波形は、ケーブルを伝わっている音の波形によって振動していることになります。これは電気的にはどういうことになるのでしょうか。

 こう考えてくると、オームの法則などの電気に関する法則にも隠れた前提条件があるのではないかと思えてきます。

 「電線等を構成する金属等の結晶格子はランダムな熱振動のみを行う」

という条件です。

 まあ、もちろん裏付けのない話であってケーブルの機械的振動による結晶格子の規則的な運動など定量的には問題にならないのかもしれません。その意味では私の妄想の域を出ない話ではあります。

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