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電流とは


金属の電子

通常状態の金属は電気的に中性ですが、金属の原子は一般的に価電子数が少なく価電子を放出しやすいという特徴があります。
電子から放出された電子は金属の中を自由に動くため、自由電子といいます。
一方、電気を流しにくい物質の電子は、原子核から離れずらい性質を持っていて束縛電子といいます。

電流は自由電子の流れ

電流は、昔「電液」と呼ばれていました。昔の人は電気の液が流れていると考え電液と呼んだのでしょう。
実際は、電流は自由電子の流れです。自由電子はそれぞれが自由にバラバラの方向に動き回りますが、これを一方向に動かすと電流になります。
電流が大きいと、たくさんの自由電子が流れていることになります。
電流の大きさを数値で表すときの単位はアンペアを用います。

電流の流れる方向と電子の流れる方向は反対

電流というのは+電荷の流れのことを指します。
電荷というのは電気の働きをする電気そのものです。単位はcでクーロンと読みます。+電荷を電荷と呼び、-電荷を電子と呼ぶこともあります。
電子の流れる方向を電流の方向とすればシンプルだったのですが、電流の方向を定義した後に電子が-電荷であることが分かったため、電流の方向と電子の流れる方向は逆になってしまいました。原子核の持っている+電荷は、電池の電解液等の中では流れることができますが、電線の中では流れることはできません。しかし、電子の流れと反対に+電荷が流れていると考えても支障がないため、その考えに基づき電気の公式や法則が作られてきています。
図1

1個の電子の電荷は、1.602×10-19[c]です。
電流は単位時間当たりに流れる電荷の量ですので、
電流=電荷/秒
となります。
よって1[A]流れると、
1[A]=1[c]/1[秒]
1[c]=1/1.602×10-19=6.24×1018
となり、
1秒間に6.24×1018個(6,240,000,000,000,000,000=624京)の電子が電流の流れとは反対向きに流れていることになります。

電子はゆっくり流れる

電流が流れているとき、電子はどのくらいの速さで流れているのでしょうか。実は電子が流れる速さは非常にゆっくりです。
例えば、断面積1[mu]の銅の電線に1[A]の電流が流れているとき、電子の流れる速さは約0.1[mm/秒]になります。約0.1[mm/秒]というのは、10秒で1[mm]、1分経ってやっと6[mm]進むという速度なので、かなりゆっくりしたスピードです。
このスピードでは、乾電池と豆電球を電線でつないでも、すぐに点灯しないのではないかと思うかも知れません。ところが、乾電池と豆電球を電線で接続すると、豆電球はすぐに点灯します。
もともと電線の中には銅の原子が持っている電子があります。電線に乾電池を接続すると、電界という電子を動かす力が電線の中に伝わります。電界は電線の中を光速で伝わるので、電線のの中の電子はほぼ一斉に動き始めます。したがって、豆電球は乾電池から出た電子が到着するのを待って点灯するのではなく、電線中の電子が動き始めるとすぐに豆電球に到着し、豆電球が点灯することになります。

電流の特徴

電流は、ぐるっと1周流れることができるルートがないと流れることはできません。このぐるっと1周できるルートを回路といいます。
また、回路の途中に分岐や合流がなければ、電流は増減することはありません。豆電球が光ると、豆電球で電流が消費されるような誤解をしやすいですが、電流は電気エネルギーを豆電球に運搬しただけで、電流自体が消費されることはありません。



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