電池と電気分解1
電池ってどういう仕組み?電流の正体とは

電池と電気分解
電池と電気分解

電池は現代の生活になくてはならないものとなっていますが,電池はどのようにして電流を生み出しているのでしょうか?

実はそもそも電流とは「電子$\mrm{e^-}$の流れ」のことで,したがって電池は「電子$\mrm{e^-}$の流れ発生させる装置」ということができます.

この電子$\mrm{e^-}$の流れを発生させるために鍵となるのが酸化還元反応です.

そもそも電子$\mrm{e^-}$のやりとりのある化学反応のことを酸化還元反応というのでしたから,酸化還元反応で起こる電子$\mrm{e^-}$のやりとりを導線などを介して引き起こすことができれば,導線の中の電子$\mrm{e^-}$の移動(すなわち,電流)を生み出すことができそうです.

これが電池の仕組みです.

この記事では

  • 化学電池の仕組み
  • 電流と電子$\mrm{e^-}$の移動

を順に説明します.

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電池の種類と仕組み

電池とは簡単に言えば「電流を生み出す装置」のことで,大まかには

  • 物理電池
  • 化学電池

の2種類に分けられます.

たとえば,手回し式のライトなどは内部の磁石が回転して誘導電流が発生するタイプの電池で,これは物理的に電気を得るので物理電池です.

一方,乾電池は内部で起こっている化学反応から電流を作り出しているので化学電池の例です.

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装置を化学電池という.

たとえば,中和反応が起こると中和熱が生じますが,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,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ね.

のちの記事で詳しく説明しますが,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$\mrm{Zn}$と銅$\mrm{Cu}$をボチャッと希硫酸$\mrm{H_2SO_4}$に浸けて,導線で亜鉛$\mrm{Zn}$と銅$\mrm{Cu}$を結べば完成します.

このボルタ電池では,亜鉛$\mrm{Zn}$側で

   \begin{align*} \mrm{Zn \to Zn^{2+} + 2e^-} \end{align*}

銅$\mrm{Cu}$側で

   \begin{align*} \mrm{2H^+ + 2e^- \to H_2} \end{align*}

という反応が起こります.

Rendered by QuickLaTeX.com

図の導線の途中にある〇は抵抗で,たとえば豆電球だと思えばイメージとしては十分です.

酸化還元反応の言葉を使えば,亜鉛$\mrm{Zn}$は酸化され,水素イオン$\mrm{H^+}$は還元されているわけですね.

このように,酸化還元反応で起こる電子$\mrm{e^-}$のやりとりを導線を介して引き起こすことで,電子$\mrm{e^-}$が利用できるようになるわけですね.

電流の向き

いまの説明が分かれば,我々が普段から電流と言っているものは,実は電子$\mrm{e^-}$の移動のことを指していることが分かりますね.

さて,電子$\mrm{e^-}$の移動を電流というわけですから,電流にも向きを考えることができます.

「電子$\mrm{e^-}$の移動方向」と逆向きを「電流の向き」と定める.

よって,先ほど説明したボルタ電池では$\mrm{Cu}$電極から$\mrm{Zn}$電極へ流れる向きに電流$I$が流れている,ということになりますね.

Rendered by QuickLaTeX.com

一般に電流(の大きさ)は$I$で表すことが多いです.

では,なぜ電流の向きを電子$\mrm{e^-}$の逆向きと定めるなのでしょうか?これに答えるには電子$\mrm{e^-}$の発見より以前の話をしなければなりません.

電気の存在が知られ始めた頃は「何か分からんけど,ビリビリするものが流れている」という程度の認識で,電子$\mrm{e^-}$の存在は知られていませんでした.

そこで,研究者たちはこのビリビリを「正の電荷が流れている」として電池を研究し始めることにしました.しかし,研究が進むにつれ

  1. どうやら電子$\mrm{e^-}$というものがあるらしい!
  2. どうやら電子$\mrm{e^-}$の移動を我々は電流と言っているらしい!!
  3. どうやら電子$\mrm{e^-}$は負の電荷をもつらしい!!!

ということが分かっていきます.

つまり,正の電荷が流れていると思っていたものが,実は負の電荷をもつ電子$\mrm{e^-}$が逆向きに流れていたことがのちに明らかになったわけですね.

しかし,既に定着した$I$の向きを科学界で一斉に変えることは困難だったため,「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」として,電流の向きが電子$\mrm{e^-}$の流れと逆になっているわけですね.

イオン化傾向

銅$\mrm{Cu}$が陽イオン$\mrm{Cu^{2+}}$になったり,銅$\mrm{Ag}$が陽イオン$\mrm{Ag^+}$になったり,単体の金属は基本的に陽イオンになります.

この「単体金属の陽イオンへのなりやすさ」のことをイオン化傾向といいます.

「イオン化傾向」を考えることによって,電池でどちらむきに電流が流れるのかを判断することができます.

管理人

プロフィール

山本やまもと 拓人たくと

元予備校講師.講師として駆け出しの頃から予備校の生徒アンケートで抜群の成績を残し,通常の8倍の報酬アップを提示されるなど頭角を表す.

飛び級・首席合格で大学院に入学しそのまま首席修了するなど数学の深い知識をもち,本質をふまえた分かりやすい授業に定評がある.

現在はオンライン家庭教師,社会人向け数学教室での講師としての教育活動とともに,京都大学で数学の研究も行っている.専門は非線形偏微分方程式論.大学数学系YouTuberとしても活動中.

趣味は数学,ピアノ,甘いもの食べ歩き.

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