1-3　オームの法則

電流と電圧の関係式が馴染み深いオームの法則！

　さて電流と電圧のイメージについて話してきた。電流とは自由電子の流れであり、電圧とは高電位と低電位の電圧であった。図4を見れば、電圧が大きくなれば電流も比例して大きくなることは感覚的にわかると思う。この電圧と電流には誰もが一度は聞いたことがある、下記のオームの法則で関係づけされている：

❏オームの法則☛電圧V＝電流I✖電気抵抗R

上記の関係は、1781年にヘンリー・キャヴェンディッシュによって発見されたが、その業績は死後数十年のちに1879年にその遺稿を纏めたマクスウェルが『ヘンリー・キャヴェンディシュ電気学論文集』として出版するまで世間には未公表であり知られていなかった。1826年にドイツの物理学者であるゲオルク・オームによって独自に再発見・公表されたことにより、結果的にオームの法則と呼ばれるようになった¹⁾。これによれば、電流Iは同じ電圧Vでも抵抗Rが大きければ小さくなり、抵抗Rが小さければ大きくなるという関係になる。図4のパイプ内に絞りを設けてイメージすると分かり易い。

　ここで、電気抵抗Rについて説明しておく。オームの法則によれば、同じ電圧Vでも抵抗Rが大きければ流れる電流Iは小さくなり、抵抗Rが小さければ電流Iは大きくなる。同じ電流であれば抵抗Rが大きくなると必要な電圧Vは大きくなり、抵抗が小さければ必要な電圧Vは小さくて済む。これがオームの法則と言われているものである。

電気抵抗とは一体何なのか？

　そこで一体抵抗とは何なのか？あくまでイメージ図で考えてみよう。図6は自由電子が導線中を移動している様子を示している。スムーズに移動できればいいが、導線の原子に衝突することにより自由電子の移動速度は落ちる。これにより、電気の流れが悪くなり、これが電気抵抗Rと考えられる。この場合、電気抵抗Rは物質により決まる抵抗率ρと導線長さℓ/導線断面積Sとの積で図6中の式にように表される。

出典☛｢電気の基本としくみがよくわかる本」福田務＠ナツメ社；Ｐ18　より加筆

電気抵抗の正体☛原子格子運動による自由電子の運動方向の乱れ？

　自由電子と原子の衝突についてもう少し説明を加えよう。自由電子と原子の状態の簡単なイメージ図を図7に示した。原子は常温では常に振動（格子振動）を繰り返している。これが物質の温度というものだ。この振動が止まる時、絶対零度ー273.15℃になる。振動している間では原子の周りでは電場²⁾が乱れている。そこへ自由電子が通過するとき、この電場の乱れの影響を受けて運動方向が乱れる。これが電気抵抗Rの正体である。また、図6における電気抵抗Rの式中の抵抗率は物質の性質、物質の温度により影響を受ける。原子密度が高い物質では電場の乱れが大きいため、電気抵抗は大きくなる。さらに、温度が高いと原子の振動が強くなり電場の乱れが大きくなり、やはり電気抵抗が大きくなる。こうして、自由電子が衝突するたびに原子の振動が大きくなり、物質の温度は上昇する。この熱はジュール熱と呼ばれている。＠2021.9.24記

出典☛｢電気の基本としくみがよくわかる本」福田務＠ナツメ社；Ｐ19　より加筆

《専門用語の解説および参考文献》

1）詳しくは「オームの法則」＠Wikipedia　もしくは「電磁気学がよくわかる」田原真人＠技術評論社；Ｐ105

2）電場☛静電気力（クーロン力）の影響が及ぶ範囲（空間）