電流ってなに?正体をわかりやすく解説

「電気が流れる」とか「電流」といった言葉を私たちは日常的に使っていますが、そもそも電流の正体とはどんなものなのでしょうか?今回は電流について、ミクロな視点からその正体を探っていきたいと思います。

  • これから物理を学ぶ高校生
  • 物理を得点源にしたい受験生

に向けて、できるだけ噛み砕いて解説しますので、最後までしっかり読んで理解しましょう!

オームの法則のおさらい

電流の正体について語る前に、オームの法則をおさらいしておきましょう。

オームの法則
V=RIV:電圧、R電気抵抗、I:電流)

例えば以下のような回路があったとき、電気抵抗Rの抵抗に電流Iが流れることで電圧がVだけ下がるということです。

全ての回路は「V=RI」に従う

オームの法則の記事では「電気回路は水路で電流は流れる水をイメージしよう」という話をしましたが、水が水素と酸素の合成物でできているように、電流にもそれを構成するなんらかの要素があると考えるのが自然です。

電流の正体

そもそも電流の正体とはどんなものなのでしょうか?まずは電流の定義から学びましょう。

電流の定義

電流の定義とは以下の通りです。

電流の定義
電流とはある面を単位時間に通過する電荷の量

例えば回路のある区間を図のように拡大したとき、自由電子がある面を1秒間で7個通過したとします。通過した7個の自由電子がもつ電荷の量が電流の大きさになるわけです。

電流の向き=正電荷の移動する向き

電流の正体は自由電子のもつ電荷ですが、電流の向きは正電荷が移動する向きとして定められています。

ですが電子の運動が電流の正体であることがわかってからは「電流の向き=正電荷の進む向き」という定説に矛盾が生じてしまいました。なぜなら電子の持つ電荷は全て負だからです。

そのため今では「自由電子が移動する向きとは逆向きに電流が進む」という形で定義づけられています。少しややこしいので注意しましょう。

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自由電子の量から電流を考える

ある面を1秒間で通過する自由電子の電荷の量が電流になるなら、自由電子の数とそれぞれのもつ電荷の量がわかれば、自由電子というミクロな視点から電流の大きさを考えることができるということです。

断面積がSで一様な導線の中を、平均速度vで自由電子が移動しているとしましょう。このとき、単位体積あたりの電子の個数をn個とします。

回路を1秒間で進む電子の数を考える

自由電子の電荷はマイナスなので、電流の進む向きとは逆です。ちなみに1個の電気の持つ電荷はすでにわかっていて、e=1.6\times10^{-19}[C]です。この量を電気素量と呼びます。

導線のある断面について考えると、その断面を1秒間で通過する電子の個数は体積vSの間に収まることがわかります。つまり1秒間である断面を通過する電子の個数は、体積vSに単位面積当たりの電子の個数nをかければ求まります。

ある断面を1秒間で通過する電子の個数:nvS

電気素量はeであり、1秒間にある断面を通過する電気量を電流と定義しているので、電流Iは以下の式で表せます。

I=envS

このように自由電子というミクロな視点から電流を定義することができました。

電流の公式

I=envS

まとめ

最後まで読んでいただきありがとうございました!電流の正体については理解できましたか?


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