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電池と電気分解1|電池の仕組みと電流の正体

  
   

「電池」は日常的によく見かけるもので,現代の生活になくてはならないものとなっています.

さて,「電池」が「電流」を生み出すことはよく知られていますが,「電流」とは一体なんでしょうか?また,「電池」はどのような仕組みで「電池」を生み出すのでしょうか?

ここでその答えを書いてしまいますが,「電流」の正体は「電子の移動」のことであり,「電池」とは「電流を生み出すもの」のことで,もう少し詳しく書けば「酸化還元反応により,電子の移動を起こす装置」のことをいいます.

ですから,「電池」を理解するには酸化還元反応を理解しておくことが大切です.

「電池」の次は「電気分解」の話に入りますが,「電池」が分かっていないと「電気分解」を十分に理解できませんから,「電池」は確実に押さえてください.

【参考:酸化還元反応

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電池の種類と仕組み

「電流とは何か」はひとまずおいて,先に「電池」について説明します.

冒頭にも書きましたが,「電池」とは「電流を生み出すもの」で,大まかに「物理電池」と「化学電池」の2種類があります.

たとえば,自転車のタイヤの回転により内部の磁石が回転して電流を作り出す電池があります.このような物理的なエネルギーから電気を得る電池を「物理電池」といいます.

一方,乾電池は「化学電池」の例ですね.乾電池は物理的なエネルギーを与えなくても,機械にセットするだけで電流を生み出しますね.

「電池」の中でも,この記事では「化学電池」について書きます.

「化学電池」の説明を,私が持っている教科書から引用します.

電池とは,化学反応に伴って放出されるエネルギーを,直流の電気エネルギーに変える発電装置のことである.

たとえば,中和反応が起こると中和熱が生じます.この中和熱は化学反応に伴って放出される熱エネルギーです.

同様に,化学反応に伴って電気エネルギーが放出されることがあります.この「電気エネルギーを取り出す装置」を「電池」というわけです.

電池1

基本的な電池で有名なものといえばボルタ電池でしょう.

ボルタ電池は亜鉛\mathrm{Zn}と銅\mathrm{Cu}をボチャッと希硫酸\mathrm{H_2SO_4}に浸けて,導線で亜鉛と銅を結べば完成します.

図ではオレンジ色の丸を挟んでいますが,これはたとえば豆電球だと思ってください.

これは,亜鉛\mathrm{Zn}側で

\mathrm{Zn \to Zn^{2+} + 2e^-}

\mathrm{Cu}

\mathrm{2H^+ + 2e^- \to H_2}

という反応が起こっています.酸化還元反応の言葉を使えば,亜鉛\mathrm{Zn}は酸化され,水素イオン\mathrm{H^+}は還元されています.

ボルタ電池については,【電池と電気分解3|ボルタ電池とダニエル電池】で詳しく説明します.

電流とは何か

電池の説明の中で「電流」や「電気エネルギー」という言葉をすでに使ってしまいましたが,実のところ「電流」や「電気エネルギー」とは一体何でしょうか?

電流の正体

あなたは電池と豆電球を繋ぐと電流が流れて豆電球が光ることを知っています.しかし,当然「電流」という物質が導線の中を流れているわけではありません.

「電流」とは「電子の移動」のことをいいます.原子の構造で学んだ電子は「マイナスの電気的性質を持つ」のでした.

そして,導線内などを電子が移動するエネルギーを「電気エネルギー」というのです.ですから,電気エネルギーは「電流が流れるときのエネルギー」とも言えますね.

ですから,電気エネルギーを取り出すためには,何とかして電子を導線の中を動かしたいわけですが,そこで酸化還元反応を利用するわけです.

酸化還元反応は,「電子のやりとり」が基本でした.「酸化される=電子を放出すること」,「還元される=電子を受け取ること」でした.

普通の酸化還元反応は「物質をコネコネ混ぜて,直接的に電子のやり取りを引き起こす」イメージです.

一方,酸化還元反応は物質をコネコネ混ぜなくても,物質を導線で繋ぐことで起こることがあります.このように,導線で繋いで酸化還元反応が起こると,導線の中を電子が流れます.これが電池の原理です.

すなわち,電池は「物質と物質を導線で結んで,間接的に電子をやり取りを引き起こす」イメージなのです.

このとき,導線の間に豆電球を繋いでいると,電子が豆電球を通過し(つまり,電流が流れ),豆電球が光るというわけなのです.

電流の向き

「電子の移動」を「電流」というわけですから,当然「電流」にも向きを考えることができます.

そこで,「電流の向き」を「電子の移動と逆向き」と定めます.

「逆向き……?」

はい,「電流の向き」は「電子の動きと逆向き」です.では,なぜ「逆向き」なのでしょうか?

電気の存在が知られ始めた頃は,もちろん電子の存在は知られていませんでした.何か分からないけど,ビリビリするものが流れている,という認識でした.

理論的に電荷を考えるときは,「正の電荷」で考えた方が分かりやすいことは想像に難くないでしょう.ですから,電流が研究され始めた当初は,「正の電荷」が流れているとして電流も考えました.

しかし,研究が進むにつれ

  1. どうやら電子というものがあるらしい!
  2. どうやら我々は電子の移動を電流と言っているらしい!!
  3. どうやら電子は『負の電荷』を持つらしい!!!

と分かってきました.

しかし,研究は「正の電荷」が流れているとして進んできました.「負の電荷」が「右」に流れていることを,「正の電荷」が「左」に流れている,と思って研究を進めてきたわけです.

「実際には『正の電荷』が動いているわけではないけど,いまさら電流の定義を変えると混乱が起こってしまう……」

というジレンマに当時の物理学者たちは悩んだことでしょう.

そして,結局「電流の向き」は「実際には違うけど『正の電荷が移動している』と仮定した向き」のままできたわけです.

以上の理由から,「電流の向き」は「電子の向きと逆向き」となっているのです.

次の記事【電池と電気分解2|イオン化傾向と電池の仕組み】に続きます.

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