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スイッチがオンになると、抵抗の低いパスと比較して、抵抗の高いパスの方が電子の流れを妨げます。
混雑したマクドナルドで注文の順番を待っているシナリオを考えてみましょう。テイクアウトの注文は、遅いサービスの列に並びますか?それとも、より速いサービスの列に並びますか?
お気に入りの食事への抵抗が最も少ない道を進みます (クレジット:@AZ.BLT/Twenty20.com)
すべての確率で、より速く動いているように見えるライン、つまり抵抗が最も少ないパスを選択します。ワイヤーを流れる電子でも同様のことが起こります。答えは明白に思えるかもしれませんが、電子の流れが最も抵抗の少ない経路をたどるメカニズムは、いくぶん複雑です。
電子とは?
学校で原子と教わった すべての物質の構成要素です。原子は、亜原子粒子と呼ばれるより小さな粒子で構成されています .電子は、レプトンと呼ばれる素粒子のクラスです。 .レプトンは、より小さなサブ粒子で構成されていないため、素粒子です。
素粒子物理学の標準モデル (クレジット:ウィキメディア コモンズ)
電子に関するいくつかの基本的な法則を確立しましょう:
- すべての電子は同一です。
- 電子は負の電荷を帯びています (-1.602×10-19 C)。
- 電子は互いに反発します。
- 電子はほぼ光速、つまり 300,000 km/s で移動します (1 秒間に赤道を 7 周すると想像してください!)
電流とは?
単位時間あたりの電荷の流れは電流と呼ばれます。
電流の流れの方向は、電子の流れの方向と反対です (写真提供:VectorMine/Shutterstock)
チューブライト、エアコン、間欠泉などのすべての電化製品は、電源を入れると内部のワイヤーに電荷が流れます。理想的な世界では、これらの電荷は障害物なしで前方の経路を流れることができますが、自然はそうではないと考えました…
それを通る電荷の流れに逆らうワイヤーがあると仮定しましょう。このようなワイヤは 抵抗 R を持つと言われています .
自然を人間に従わせる時が来ましたか?
電流の流れの方向が電子の流れの方向と反対であることに注意してください。電子を流すには、ワイヤーの両端をバッテリーに接続します。 潜在的な違いが生じる 両端に。
潜在的な違い 粒子がエネルギー的に安定した状態からどれだけ離れているかを説明します。すべての粒子は、エネルギー的に最も安定した状態に到達する傾向があります。つまり、周囲で可能な限り低いエネルギーを保持します (高いポテンシャルの状態から低いポテンシャルの状態への移動)。
バッテリーに接続されていないワイヤの内部では、一部の電子が原子に結合されて移動できません。それでも、いくつかの自由電子はランダムな方向に移動します。この状況は、何人かの人が座って動かない混雑したレストランに似ていますが、立っている人はレストラン内でランダムな方向に歩きます.
電位差がある場合の自由電子。
バッテリーが接続されると、ワイヤの両端に電位差が生じます (または、この比喩では、テイクアウト カウンターが開き、待っている人が列を形成し始めます)。これにより、次のような結果が生じます:
- バッテリーのマイナス端子に接続された端の電子は、端子から反発力を受け、バッテリーからワイヤーに向かって押し出されます。
- プラス端子に接続された端の電子は、端子に向かって引力を受け、ワイヤからバッテリーに向かって引き離されます。
- 中央の電子は、後ろの電子によって前に押し出され、前の電子によって後ろに押し出されます。
- 上記の正味の効果は、組織化された方向性のある電子の流れが負の端から正の端へと始まることです。
- この流れを妨げているのは抵抗です ワイヤーの。
並列回路 (写真提供:Drp8/Shutterstock)
A を 2 本のワイヤにしましょう そしてB 、同じバッテリーに接続されている。また、Ra Aの抵抗になる とRb Bの抵抗になる そして Ra と仮定します> Rb .
両方のワイヤの物理的寸法 (長さと幅) が同じであるとすると、どちらのワイヤがより多くの電子を流すことができるか推測できますか?
答えは B、 です しかし、より明確にするためにメカニズムを理解しようとしましょう。
メカニズム
スイッチがオンになると、マイナス端子に接続された両方のワイヤの電子が端子から離れてワイヤに流れますが、A B よりも電子の流れを妨げます .したがって、B の電子 Aより流れやすい .これは、より高速なサービスを提供するマクドナルドのラインに似ています。徐々に、より多くの人が B に気付くでしょう。 A よりもサービス時間が短い したがって、行 B に入ります .
同様に、正端子では B の電子 A よりも簡単にバッテリーに入り、ワイヤーから離れます。 .
マイナス端子のバッテリー内の電子は、A のいずれかを選択できます。 または B . Bでは流れに対する抵抗が少ないため Aよりも 、より多くの電子が B を流れます Aより 一定期間。この B 内の電子の流れの蓄積 自由電子を収容できなくなるまで続きます。したがって、定常状態が確立されます (平衡と呼ばれます) ）。この平衡は、電源が接続されるまで維持されます。供給が取り除かれると、電子は目的のない放浪に戻ります (レストランが閉まると、人々はさまざまな方向に急いで立ち去ります)。
結論
私たちの身の回りのあらゆる物質に電子が含まれていることは興味深いことです。また、以前は知られていなかった人間と電子との間に類似点が存在することも、もう少しもっともらしいようです。最も抵抗の少ない経路を選択することは電子にとって自然なことかもしれませんが、それは人間も受け入れるべき実践でもあります!
