導体に電流が流れる仕組みをわかりやすく解説します。基本原理、電子の動き、電気抵抗の影響を初心者向けに丁寧に説明しています。
導体に電流が流れる仕組み
電流とは、電荷（おもに電子）の移動によって生じるものです。導体内での電子の移動は、主に自由電子の運動によって説明されます。自由電子とは、原子核の影響を受けずに動き回ることができる電子のことです。金属導体は、このような自由電子が多いため、電流が流れやすい素材です。
自由電子の役割
金属導体の中で、原子は規則正しく配列されていますが、外側の電子はその原子核に強く束縛されていないため、自由に動き回ることができます。これらの自由電子は、外部から電圧を加えることで、一方向に移動し、電流を生じさせます。
- 導体内の自由電子は、電場がかかると、その方向に移動します。
- この電子の動きが電流となります。
オームの法則
電流と電圧の関係を説明する基本法則の一つにオームの法則があります。これは以下のように表されます：
I = \frac{V}{R}
- I: 電流 (アンペア, A)
- V: 電圧 (ボルト, V)
- R: 抵抗 (オーム, Ω)
この式からわかるように、電流 I は電圧 V に比例し、抵抗 R に反比例します。つまり、電圧が高いほど、また抵抗が低いほど、電流は大きくなります。
導体中の電流の流れのモデル
導体中の電流の流れを理解するためには、ドリフト速度と呼ばれる概念も重要です。これを簡単に述べると：
- 電子は無秩序に動き回っていますが、電場がかかるとその方向にわずかに移動します。
- この移動がドリフト速度です。
このドリフト速度（v_d）は次の式で表されます：
v_d = \frac{I}{n * A * e}
- v_d: ドリフト速度 (m/s)
- I: 電流 (A)
- n: 単位体積あたりの自由電子の数 (1/m^3)
- A: 導体の断面積 (m^2)
- e: 電子1個あたりの電荷 (クーロン, C)
このように、導体内の自由電子の運動が電流を生む仕組みを理解することで、複雑な電気回路の動作を基本から理解するための基盤ができます。
