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「電流とは何か?」をシミュレーションで理解しよう![電気回路,物理入門]

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今回の記事から電気回路について詳しく説明していきます!今回は一番重要な「電流」について、シミュレーターで詳しく説明していきます!

「電流とは何か?」をシミュレーションで理解しよう![電気回路,物理入門]

電流の定義

最初に電流の定義をみておきます。

電流の強さ = 電気回路内のある地点を1秒辺りに流れる電気量 (クーロン/秒)

例えば↓の青い面の地点で考えるなら、この青面を1秒にどれぐらいの電気量が通ったかをしめすのが「電流」なのです!

単位は「クーロン/秒」なのですが、一般的にはこれをA(アンペア)という記号で表します

電気回路内は、↑の図のように自由電子e(青点)が回っている状態です。この自由電子が「1秒間に何回通って」「電子1個あたり何クーロンなのか」によって電流の強さが変わるんですね。ですので、↓のように表すこともできます。

電流の強さ = 電気回路内のある地点を1秒辺りに流れる電子の数 × 電子1つの電荷量 (クーロン/秒)

 

POINT電流の強さは、ある地点を1秒で通過する電荷量と定義!

電流は電子とは逆向きだと考える!

こちらのページでも解説してますが、電子1つの電気量は\( -1.6 × 10^{-19} \)クーロンとなります。とてつもなく小さい数ですね。つまり、\(\frac{1}{-1.6 × 10^{-19}} = 6.3 × 10^{18}\)の電子が通るとはじめて電流1Aになるのです!すごい数ですね><

また、符号がマイナスであることが重要です。これだと電流がマイナスになってしまうんです。そこで、電気回路の世界では「プラスの電荷が逆向きに通っている」と考えるんです

この後のシミュレーターを使って解説しますが、実際の電子の流れが反時計周りなら、電流は時計回りにプラスで流れてるとみなすのです。そのほうがマイナス記号消えて、扱いやすくなるからです。
 

POINT本当はマイナスの電子が逆向きに通っているが、分かりやすいようにプラス電荷を想定する!

「電流」シミュレーターで確認しよう!

それでは実際の電流の動きを確認してみましょう。このシミュレーターでは「プラス電荷が時計回りに回ってると考える、通常電荷モード」「電子の流れをそのまま表現する電子表示モード」の2パターンで確認できます!

また、分かりやすくするため「10個の電子=1クーロン」とします。つまり、1秒間に10個の電子が通ったら1Aになります!

操作方法
  • スライドバーによって電流の強さが変えられます
  • 表示モードで、通常電流としてプラス電荷(赤色)で表示するか、電子の流れとして電子(青色)表示するか選択できます
  • プラス電荷と電子が逆向きになることを確認してみましょう
  • 電流1Aだと1秒間に10個の電荷が通ること、また通る数が電流の強さに比例することを確認してみましょう

表示モード 通常電流  電子の流れ 

電流
1.0A


表示角度
45
↑見たい角度に自由に表示・固定できます

電流シミュレーターの要点

このシミュレーターでわかるように、電子と電流の流れは逆です。以後、プラス電荷の流れで解説していきますが、本当は電子が逆向きに動いていることを意識しておきましょう!

また、シミュレーターで電流を強くすると、電荷が流れるスピードが比例して速くなるのが分かると思います。電流が0なら、速度=0です。つまり電子は止まっていて流れていない状態になるんですね!

この電流ですが、電子の速さだけで決まるわけではありません。次回はその「電流の強さを決める要素」について解説します!
 

「電流の基礎」まとめ

  • 電流の強さ = 電気回路内のある地点を1秒辺りに流れる電子の数 × 電子1つの電荷量
  • 本当はマイナス電子が逆向きに通っているが、分かりやすくプラス電荷が通っていると想定
  • 電荷の通るスピードに完全比例して電流は大きくなる

 

[関連記事] 電流・電圧・抵抗の基礎
1.電流とは何か(本記事)


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