イントロ
自由電子と導体・半導体・絶縁体
電流の矢印と電子の矢印は逆
電流の向きは正電荷が動く向きとして先に決められました。金属で実際に動きやすい担い手は負電荷の電子なので、電子の平均的な移動は電流と逆向きになります。
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定義
自由電子
- 教科書では
- 金属内を比較的自由に移動でき、電圧が加わると一定方向への平均的な動きが生じる電子です。
- 言いかえると
- 電圧がないときも電子は熱運動していますが、向きがばらばらなので平均的な電流にはなりません。電圧を加えると乱雑な動きに小さな偏りが加わり、電荷が運ばれます。
公式
電流方向の約束
金属中の向き
電流方向 = 電子の平均移動方向と逆
電流は正電荷が動くと仮定した向きで定義され、電子は負電荷だから逆向きになります。
- 電流I正極から負極へ流れるとする慣用的な向き
- 電子金属中では負極側から正極側へ平均移動
使うときのコツ
二本の矢印を別々に描いて混同を防ぎます。
解くコツ
物質の種類、移動できる電荷の有無、電流と担い手の向きを順に読みます。
比較
| 分類 | 電荷の動きやすさ | 一般的な例と注意 |
|---|---|---|
| 導体 | 動きやすい | 金属。抵抗は0ではない |
| 半導体 | 条件で変わりやすい | シリコン。単なる中間値ではない |
| 絶縁体 | 動きにくい | ガラス・樹脂。絶対に電流0とは限らない |
分類導体
- 電荷の動きやすさ
- 動きやすい
- 一般的な例と注意
- 金属。抵抗は0ではない
分類半導体
- 電荷の動きやすさ
- 条件で変わりやすい
- 一般的な例と注意
- シリコン。単なる中間値ではない
分類絶縁体
- 電荷の動きやすさ
- 動きにくい
- 一般的な例と注意
- ガラス・樹脂。絶対に電流0とは限らない
三分類は電気的性質の大別であり、温度や不純物などの条件で性質が変わる場合があります。
手順
粒子モデルで読む手順
- 1
電流の慣用的な向きを確認する
- 2
動く担い手が正か負かを確認する
- 3
負電荷なら担い手の移動を逆向きに描く
- 4
物質分類は電荷の動きやすさと条件で判断する
例
- 場面
- 金属線の左端を電池の正極、右端を負極へつないだ。
- 順に考えると
- 慣用的な電流は正極側の左から負極側の右へ向かいます。金属中の自由電子は負電荷なので、平均的には右から左へ移動します。電子一個の速さがそのまま回路全体の電気信号の伝わる速さではありません。
- ここが結論
- 電流は左→右、自由電子の平均移動は右→左です。
注意
半導体を単なる半分と考えない
確認
向きの確認
Q1
金属中で慣用的な電流が右向きのとき、自由電子の平均的な移動方向はどれですか。
確認
物質分類の確認
Q1
物質の電気的性質について適切な説明はどれですか。
まとめ
まとめ
- 1
金属の電流は自由電子の移動に関係する
- 2
電流方向と電子の平均移動は逆
- 3
導体・半導体・絶縁体を電気的性質で大別する
- 4
半導体の詳細なpn接合は物理基礎の範囲外
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