コンデンサーに電気が流れる理由

hamano投稿 2024/6/22 04:55

高3 理系 北海道

北海道大学理学部志望

コンデンサーと電池を接続し電池負極側を接地したとき、電池負極側とそれに繋がっている金属板(金属板Bとします)の電位は0で等電位になりますが、ここでスイッチを繋げた時電子が電池負極から金属板Bに移動する理由がわかりません。先生は「電池正極に金属板Aから電子が電位差によって移動して、電池は電荷を貯めることはできないから負極から電子が出ていく(?)」といった説明をしていましたが、電池の正極と負極で繋がりはないために正極で起きたことが負極に干渉するはずないと思いますし、接地しているので負極と金属板Bの電位差も存在しないため、何の力で電子が移動するのか全く理解できません。そもそも電子が移動して金属板Bに僅かでも蓄えられた場合、金属板Bの電位は0より下がって電子はそれ以上移動できないのではないでしょうか。私は電池正極と金属板Aの間の電位差、電池負極と金属板Bの電位差でそれぞれ独立して電子が移動するものではないかと考えていたので、この場合電子は動かないと考えましたが、そうではないと言われてしまいました。どなたか説明よろしくお願いします。以下図です。

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回答

ソラ投稿 2024/6/25 23:00

東京工業大学工学院

電池というのは化学でやる酸化還元反応によって起こります。つまり、酸化するもの(電子を放出するもの)と還元するもの(電子を受け取るもの)がひとつの通り道で結ばれて初めて電流が流れます。この場合、電子を受け取るのが正極側の物質で電子を放出するものが負極側の物質です。一応言っておきますがこのふたつの物質は電池の中で反応を起こすので表面にでてきてる金属部分を表している訳では無いです。

この時の通り道が電池の負極→コンデンサ→電池の正極です。
電流というのは電子の流れによって逆向きに起こるものです。なので電子の流れを見ていきます。
まず、電子がなんの力で動いてるいるのかですが、これは電気的な力によって動いています。電池の中の正極側には電子を欲しがっている物質が存在し、負極側には放出したい物質が存在しており、これらを結ぶ通り道が回路しかないため回路を通って電子が負極側から正極側に移動します。

だから、負極側から金属板Bの方に電子が移動します。電子は金属板Bから金属板Aに飛んで移動することがないため、電子は金属板Bに溜まります。すると、それに対応して同じ分だけ反対側の金属板Aには正の電荷がたまり、金属板Aに元々あった電子は正極側に移動します。そこで、電子が反応に使われるというのが一連の電子の流れです。

ここで、質問者さんが仰っていた電位に着いて触れておきます。
電位というのは位置エネルギーと同じ感じで基準面をどこにとっても大丈夫です。電位は同じ場所でも基準面のとり方によって負にも正にも0にもなります。だから電位が負だから電子が流れないといったものはありません。

また、問題の多くは分かりやすいように接地されたところは0とします。接地という行為は電位の基準を定める行為にほかなりません。そして、これに繋がっている導線は全て電位が0となります。抵抗や電池、電荷が溜まっているコンデンサなど電位が変わるものが途中になければ全て同じ電位となるからです。ゆえに、接地されている導線と繋がっている金属板Bも電子が溜まっていったとしてもどの瞬間をとっても電位の基準となっているため電位は0のままなのです。もう一度言いますと、電位の基準は自由に取ることができ、接地されている導線と繋がっている部分を0と基準を定めているため、どれだけ電荷がたまろうと金属板Bの電位は0なのです。

こんな感じでどうでしょうか?分からなかったらまた聞いてください。

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