普段は目に見えない「電気」を視覚化して解説したムービー

スマートフォンやPC、ゲーム機など、身の回りには電気を用いたデバイスがあふれています。本来電気は人間の目には見えませんが、これを視覚化して解説したムービーを、科学系ブログのDEMYSTIFYING SCIENCEが公開しています。

How to Visualize Electricity - YouTube

原子が物理的に相互作用して電圧と電流を生成する様子を想像できるでしょうか。これは「目に見えない原子の動き」を視覚化しなければ、理解するのが難しいものです。

そのための第一歩として、まずは最も単純な原子である水素について考えてみます。

水素は原子核を取り巻く1つの電子殻を持っています。この電子殻の形状は、大まかにいえば電子殻上にある電子の動径分布関数に基づいているとのこと。また、電子殻は励起状態により形状を変化させるため、この動きは人間の「呼吸の動き」に例えることができるそうです。なお、このような現象を「量子跳躍」と呼びます。

電子の99.999％は原子核から430ピコメートル以下の距離に存在します。しかし、残りの0.001％の電子は小さな放射状フィラメントのようなものと説明することが可能であり、どれだけ伸びるかに制限がありません。

そのため、もしも電子の動径分布と量子跳躍を無視した場合、非常に簡略化されたモデルを用いて電気の視覚化が可能になるそうです。

というわけで、上記の条件を踏まえて「非常に単純な回路図」を用いて電気の視覚化について考えていきます。

これがその「非常に単純な回路図」。

この開回路は水素原子が一列になって形成しているものとします。

その場合、各水素原子の電子殻が絡み合い、隣の水素原子と一緒に折り重なるようにして並ぶこととなります。

帯電した回路上ではどのようなことが起きているのか？

回路上を電流はプラスからマイナスに流れますが、マイナス側の原子は反時計回りに回転します。この回転は「帯電」を示しているとのこと。つまり、帯電しているか否かは、原子の回転する向きから判断することが可能というわけ。

一方、回路のプラス側では原子が時計回りに回転します。この場合、プラス側の原子はマイナス側の原子よりもゆっくりと回転するとのこと。

この回転の勢いおよび向きの違いは、それぞれの電圧差を示しているともいえます。つまり、電圧は電子間の運動量の差で表すことが可能です。

そして回路が閉じた場合、運動量の多い方が少ない方を活発にします。

原子が直接つながると、電子殻経由で運動量がほぼ光の速さで伝播します。そのため、電流は電子の平均速度であるドリフト速度よりもはるかに速く伝播します。

ただし、この簡略化された回路図の例の場合、イオン化された水素原子を用いているという前提の下で電気の視覚化をイメージしているということを認識しておく必要があります。実際の回路に使用される導電性の金属や線は、より複雑な電子殻を持っていることを忘れてはいけません。

なお、金属原子の電子は水素原子のそれおよりも複雑な軌道形状となっているため、金属原子はその他の原子と多極接触が可能になり、視覚化のプロセスもより複雑なものとなります。