電界、電圧、電流の違いは何ですか?

電線が切れて通電しているのに危険な目に遭うことがないよう願っています。しかし、万が一そうなってしまった場合は、安全対策として、小さな足取りで立ち去ることをお勧めします。こうした動きは感電を防ぐのに役立ちます。

もちろん、最善の策はこのような危険な状況を避けることですが、同時に、なぜ小さなステップが最善なのかという重要な物理学についてお話しする機会でもあります。ここでは、電位差（電圧）、電流、そして電場という3つの重要な概念についてお話しします。これらはすべて関連しており、水とLEDを使ってその仕組みを説明します。これは素晴らしい物理学のデモですが、まずは基本的な部分から説明する必要があります。

電流

おそらく、電流から始めるのが一番良いでしょう。おそらく最も理解しやすいでしょう。すべては電荷から始まります。現実世界におけるほぼすべての電気的相互作用には、2つの電荷しかありません。この2つの電荷は、正電荷を持つ陽子と負電荷を持つ電子です。これらの粒子は質量が異なりますが、電荷は正反対です。どちらの粒子も電荷の大きさは1.6 x 10 ¹⁹クーロン（電荷の単位）です。この値は他の状況でも使用されるため、これを基本電荷と呼び、「e」（電子電荷の略）と表します。例えば、銅（aw）のような金属でできた長い円筒があるとします。この金属の各原子には29個の陽子と29個の電子があり、ワイヤ全体の正味電荷はゼロです。物質中のこれらの銅原子はすべて、近くの原子と相互作用し、1つの電子が1つの銅原子から次の銅原子へと容易に移動できるようにします（これを自由電子と呼びます）。物質がこのような性質を持つ場合、その物質は導体と呼ばれます。基本的にすべての金属は導体です。

この金属線を、正電荷（陽子）の束と、同数の負電荷（電子）が移動可能な状態にあると考えると分かりやすいモデルです。しかし、線全体は中性です。では、これらの自由電子がすべて同じ方向に動いていると想像してみてください。これが電流です。電荷の流れです。

電線上の一点を観察し、毎秒そこを通過する電子（速度v _e）の数を数えると、それが電流（I）となります。方程式で表すと、次のようになります。

電流はIで表され、ΔQは時間間隔Δtに移動する電荷です。電荷をクーロンで測定し、時間を秒で測定すると、電流はアンペア（ここでは単にアンペアと表記します）の単位になります。

電流の方向が自由電子の運動と逆方向になっていることに気づきましたか？電流は正電荷の変化として定義されているからです。しかし、実際に動くのは負電荷です。ほとんどの場合（すべてではありませんが）、負電荷が右に動くのは正電荷が左に動くのと全く同じなので、実際には問題になりません。

しかし、電荷を動かすのは何でしょうか？これが次の物理学の概念につながります。

電界

おそらく電場を理解する最良の方法は、別の場、つまり重力場を見ることでしょう。リンゴと、同じくらいの大きさ（ただしはるかに重い）岩石という2つの物体があるとします。どちらの物体にも重力が働いており、重い岩石の方がより強い力を受けています。

しかし、それぞれの物体にかかる重力の大きさを求め、その質量で割ったらどうなるでしょうか？質量は物体がどれだけの物質でできているかを表す尺度ですが、重さは重力そのものであることを覚えておいてください。この2つを混同しないでください。質量あたりのこの力は、どちらの物体に対しても一定であることがわかります。この定数を重力場gと呼びます。

地球表面における重力場の強さは、1キログラムあたり9.8ニュートンです。つまり、1キログラムの岩石には9.8ニュートンの重力が作用します。体重70キログラムの人の場合、重力は(70キログラム)×(9.8ニュートン/キログラム) = 686ニュートンとなります。

重力場（そしてあらゆる場）の素晴らしい点は、特定の物体に働く力の大きさと方向を、ある意味で地図化できることです。その物体がそこになくても構いません。例えば、これらの矢印は地球の周りの重力場を表しています。

これは、地球の近くに質量を置くと、力が矢印と同じ方向になり、矢印の長さに比例することを示しています。

重力場が重力相互作用を表す方法であるように、電場は電気相互作用を表す便利なツールです。つまり、すべての電荷は電場（記号E）を持ちます。電気力は電荷の値（Q）（質量ではなく）に依存するため、電場は単位電荷あたりの力、つまりニュートン毎クーロン（N/C）です。

これは正電荷と負電荷の近くの電界のスケッチです。

ここまで読んで、「一体これって水とLEDに何の関係があるの？LEDライトが欲しい！」と思っている方もいるかもしれませんね。でも、落ち着いてください。もうすぐです。

簡単に説明しましょう。電線に電流が流れるのは、電線内部に電界があるためです。この電界が自由電子を押し出し、移動させます。この電線を直流電池（単1電池など）に接続したと想像してみてください。電池が電線内部に電界を作り出し、電流を発生させます。

電圧

より適切な用語は「電位の変化」ですが、電圧の方がずっと短くて済みます。物理学用語のようなものです。注：「変化」を省略して「電位」だけと言う人もよく見かけます。物理学者の中には、完全に怠けて（手を挙げて）、単に「電位」と呼ぶ人もいます。言葉が長すぎる場合があるからです。

さて、電圧の話に移りましょう。ある物体の近くに一定の電場があると想像してください。下図のように、電子をA地点からB地点に移動させたいとします。

電場は負の電子に左向きの力をかけます（負電荷なので）。電子を点Bに移動させたい場合、同じ大きさの力で押す必要があります。ある程度の距離にわたって力を及ぼしているので、粒子に仕事をしていることになります。仕事-エネルギーの原理によれば、この仕事は系のエネルギーを変化させます。このエネルギー変化は、電位エネルギーの変化です。一定の電場の場合、次の式が成り立ちます。

電荷（q）が負なので、これはエネルギーの正の変化であることに注意してください。しかし、同じ動きを異なる電荷で行いたい場合はどうすればよいでしょうか。例えば、+eの電荷を持つ陽子を動かしたいとします。その場合、位置エネルギーの変化は負になります。他の電荷でも同じことを繰り返すことができます。しかし、どんな電荷を動かしても変わらないものがあります。それが電圧です。

電圧とは、単位電荷あたりの電位エネルギーの変化です。つまり、ある電荷（どの電荷を使っても構いません）に対する電位エネルギーの変化を、その電荷で割ることになります。つまり、次のようになります。

この電位の変化の単位は何だと思いますか？そうです、ジュール/クーロンで、これは1ボルトに相当します。だから「電圧」と呼ばれるのですが、よく考えてみるとちょっと変ですよね。メートル単位を使うのに、距離の測定を「メートル法」と呼んだらどうでしょうか？

さて、ここで電場と電位の関係に戻りましょう。この一定の電場の例では、電位の変化から電場の大きさを求めることができます。

この式は一定の電場に対してのみ成り立ちますが、それでも有用です。これは、電場は電位ではなく、距離に応じて電位がどのように変化するかに依存することを示しています。

例え話をしましょう。丘の上にボールがあるとします。ボールを放すと、ボールは丘を転がり始めます。ボールの加速度は丘の傾斜に依存します。このボールの加速度は電界のようなものです。丘の高さは電位のようなものです。

では、丘の上の異なる場所に 2 つのボールがあるとします。

どちらのボールの方が高いでしょうか？はい、答えはAです。どちらのボールの方が加速度が大きいでしょうか？答えはボールBです。ボールAほど高くはありませんが、坂の勾配が急だからです。これを使って、非常によくある電位の問題を取り上げます。次の2つのケースを考えてみましょう。

状況 1: 物体の近くで電位がゼロになる場所。
状況 2: 電界がゼロになる物体の近くの場所。

これら2つの場所は同じ場所にあると考えるかもしれません。そして、それは可能です。しかし、必ずしも同じである必要はありません。丘の例に戻りましょう。海抜が0メートルの場所があったらどうでしょうか。それは斜面が平坦でなければならないことを意味するのでしょうか？いいえ。それは完全に平坦ではなく、海に向かって傾斜しているビーチである可能性があります。丘が平坦だった場合、丘の高さが0になるのでしょうか？平坦な丘の頂上を考えてみましょう。それは可能です。これもまた、そうではありません。電界は電位の空間的変化率（専門的には勾配と呼ばれます）に依存します。電位の実際の値には依存しません。

LED と水を使ったデモンストレーションの準備が整ったと思います。

物理学のデモ

まずはLED（発光ダイオード）から始めましょう。LEDには非常に便利な機能がいくつかあります。

点灯するには非常に特殊な電圧が必要です。ほとんどの赤色LEDの場合、これは約1.7ボルトです。
プラスとマイナスの端子があります。つまり、LEDが点灯するには、電流はプラス側からマイナス側へ一方向にしか流れません。

これを使って、電界と電位の関係を示すことができます。まず、浅いプラスチックトレイに少量の塩を入れた水を入れます（導電体とするため）。トレイの両端にアルミホイルを2枚貼り、片側にプラス端子、もう片側にマイナス端子を付けて電源に接続します。

側面にアルミホイルが付いているので、水中には片側から反対側へとほぼ一定の電界が流れています。この電界は水中に電流を発生させます。次に、LED（とレゴブロック）を使って小さな人形を作ります。LEDはレゴブロックの上部に取り付け、両側の2本のリード線を人形の足となるワイヤーに接続します。プラス端子には赤いケーブル、マイナス端子には黒いケーブルを使用しました。

プラスの脚をアルミトレイのプラス側に向けて LED 人物を水に入れると、点灯します。

電線の「脚」が電界と同じ方向に大きく離れていることに注目してください。これは、倒れた電線の近くに人が両足を広げているようなものです。しかし、そうしないでください。電流が片方の脚から上がってもう片方の脚から流れ出てしまうからです。おそらく、その間にある重要な部品を貫通してしまうでしょう。頭のLEDが点灯することはありませんが、感電するでしょう。

でも、ワイヤーの足をもっと近づけて曲げたらどうなるでしょうか？まるで足をすり足しているような感じになります。

ライトは点灯していないので、人は感電しません。では、何が起こっているのでしょうか？電界が一定であれば、片方の足からもう片方の足への電位の変化は、電界と足の間の距離の積になります。足が離れているほど、電位の変化は大きくなり、感電につながる可能性があります。

はい、電界が一定でなくてもこの方法は有効です。ただし、その場合は両足間の距離に対する電界の積を積分する必要があります。そのため、電線が切れた近くでは、足を揃えておく方が良いでしょう。

ああ、もう一つ面白い方法があるんだ。LED人形を水に入れて、足を回転させるんだ。こんな感じで。

ビデオ: レット・アラン

回転の途中でLEDが消灯することに注意してください。電界はアルミホイルを敷いた水受け皿の片側から反対側へと向いているため、電位の変化は同じ方向にある両足の距離のみに依存します。LED人形が電界に対して垂直に立っていた場合、片方の足からもう片方の足までの電圧は0ボルトとなり、感電することはありません。

ご心配なく、これは安全のためのヒントではありません。倒れた電線に遭遇した場合、通常は一定の電界が発生しないので、体をひっくり返すというこの方法は役に立ちません。最善の策は、倒れた電線を避けることです。

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