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電流の伝播速度

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電流の伝播速度

電流は導体中の電子などの流れによって生じるが、電流と電子の速度には大きな差がある。電流は基本的に光速度に近い速度で伝播するが、導体中の電子そのものは非常に遅い流れである。例えば断面が1mm2の銅線に1アンペアの電流を流した場合、電子は平均的に4.4mm/分の速度で流れる。 ※これ以降の ※””でくくった部分には調査が必要な内容が有ります。調査後 ※””をはずすか編集を致します。 ※”電流は粒子である電子の動きそのものが伝播するのではなく、導体の内外を電磁場の変化が光速度に近い速度で伝播することで電子のゆっくりした流れの先端部が高速で移動してゆくのである。この電磁波は電子などの荷電粒子の動きで生じる”。

導体内を移動する荷電粒子は、気体の粒子のように常に無作為な方向に移動している。電荷が全体として流れを形成する場合、それら粒子は平均流速で同じ方向に移動していなければならない。金属における電荷担体は電子であり、電子は原子から原子へと跳ね返りながら不定な経路を辿るが、全体として電場の方向へ流れていく。その流れの速度は次の式で表される。

I=nAvQ

ここで、

Iは電流
nは単位体積あたりの荷電粒子の個数(電荷担体密度)
Aは導体の断面積
vは流動速度
Qは各粒子の電荷量

である。固体において電子は一般に非常にゆっくり流れる。例えば、銅の電線の断面積を 0.5 mm2 とし、そこに 5 A の電流が流れるとしたとき、電子の流動速度はミリメートル毎秒単位にしかならない。別の例として、ほぼ真空のブラウン管内で直線的に移動する電子は、光速の約10分の1程度の速度となる。

※”電荷担体が加速され電流が変化すると、導体表面の外に向かって電磁波が発生し非常に高速に伝わっていく。マクスウェルの方程式から推測できるように、その速度は光速に近く、電子の流動速度より何倍も高速である。例えば交流の送電線では、電子は電線内のごく短い距離を行ったり来たりするだけだが、電磁波のエネルギーは送電元から送電先まで非常に高速に伝播する。”

※”自由空間における光速に対する電磁波の速度の比率を速度係数 (velocity factor) と呼び、導体の電磁的特性、周囲を囲んでいる絶縁素材の電磁的特性、形状や大きさに左右される。

これらの関係は気体と音波にたとえるとわかりやすい。電荷担体のゆっくりした流れは、大気の動き、すなわち風に相当する。電磁波は気体を媒体として伝播する音波に相当する。荷電粒子の無作為な動きは気体分子が熱によって無作為に運動することに相当する。”
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