電荷と電気① 電池

「電気とは何でしょう？」この問いはかなり難しい問題です。一般的には「電圧」と「電流」、この2つのワードを持ち出せば、おおむね電気を捉えていると言えるでしょう。しかし、では電圧とは何？電流とは何？と考えを進めると、簡潔で明確な言葉がなかなかすぐには出てきません。

実は、簡潔で明確な言葉があるのです。それが「電荷」です。まず始めに電荷ありき。電圧も電流も電荷の振る舞いです。電荷はコンデンサの特性を考えるときに、なじみのある言葉として出てきますね。Q＝CV　のように、電荷は記号Qで表され、単位はC［クーロン］です。

電荷から電気を考えるときに、乾電池の構造と原理がそれを分かりやすく説明してくれます。図を見てください。単純化して示していますが、乾電池（マンガン）は図のように、亜鉛缶の容器に電解液を溜め、電解液に炭素棒を差し込んだ構造になっています。そして、これらの化学反応によって、亜鉛からは電子を残してプラスイオンが追い出され、それが炭素棒にいき、炭素棒から不足分の電子をもらって結合し中性（アンモニウム）になります。このようにして、亜鉛は電子が余りマイナスに帯電し、炭素棒は電子が不足してプラスに帯電します。

この亜鉛に余ったもの（相対的に増加したもの）、つまり電子が電荷、正しくは負電荷であり、炭素棒に残った電子の穴が正電荷です。この亜鉛の負電荷と炭素棒の正電荷により、亜鉛缶と炭素棒の間に電位差（電圧）が生じます。乾電池の場合は1.5Vですね。

電荷は「電気量」とも表します。つまり、あたかもバケツに溜めた水のように、電気には量としての大小があるのです。電気の量とはすなわち電荷の数であり、負電荷である電子、正電荷である電子の抜けた穴、これらの数を意味します。これは、容量の大きなコンデンサには多くの電荷が溜まることからも、概念的に理解できますね。

さて、乾電池に豆電球をつなぐと、豆電球は点灯します。これは豆電球のフィラメントに電流が流れるからです。では電流とはいったい何の流れでしょう。これは皆さんすでにご存知のように電子の流れ、つまり負電荷が流れるということです。「電流とは電荷の流れ」これが、より電気の意味に近い概念です。豆電球には2本の電線が付いています。これを、フィラメントを介した1本の電線とみなせば、電線内の電子は乾電池のプラス電極（炭素棒）の吸引力によって引込まれ、マイナス電極（亜鉛）の反発力によって押されて電線内を移動します。炭素棒に吸い込まれて不足した電子は亜鉛から瞬時に供給されて、電線内では一定量の電子の流れ、つまり電荷の流れが継続しこれが電流になるわけですね。

一方、電池の亜鉛缶と炭素棒に着目して見れば、電線に電流を流すことで亜鉛の負電荷と炭素棒の正電荷が共に減少しますが、乾電池内の化学反応によって瞬時に補われ、亜鉛缶の負電荷と炭素棒の正電荷は常に一定量に保たれます。よって、電流（電子：負電荷）が流れているときも、電圧は1.5Vに保たれるということです。

負電荷は電子が担いますが、単位：1C［クーロン］は、電子1個の電荷のことではありません。Q＝CVより、端子電圧＝1Vの1Fのコンデンサが溜めている電荷が1Cです。あるいは、「1C の電荷が1J の仕事をする電位差を1V と定義する」（Wikipedia)ということです。また、電線（導体）を1秒間に1Cの電荷が通過するとき、これを1Aの電流と定義します。

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