電流と回路（知識）の問題
難易度 3共通テストレベル高校物理 電流と回路（知識）
金属の導線を流れる電流と、その向きについて述べた次の文のうち、正しいものを、次のア〜カからすべて選べ。ただし、電気素量を （）とする。
- ア 電流の向きは、正の電荷が移動する向きと決められている。
- イ 金属の導線では、自由電子が電流の向きと同じ向きに移動している。
- ウ 電流の大きさは、導線のある断面を単位時間あたりに通過する電気量の大きさで表される。
- エ 自由電子 1 個がもつ電気量は正であり、その大きさは電気素量 に等しい。
- オ 導線の断面積を 、導線中の自由電子の数密度（単位体積あたりの数）を とし、自由電子が全体として導線に沿って一方向に移動する平均の速さ（不規則な熱運動の速さではない）を とすると、電流の大きさは と表される。
- カ 電池の両極を導線でつなぐと、導線の中の自由電子は、電池の正極につながった側から負極につながった側へ向かって移動する。
この問題で使うもの
- 電流の正体と電流の向き（説明と入口の問題）
この問題を解けるようになるまで（5 技能）
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ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
電流の向きの決め方と、金属の中で実際に移動している粒子の電荷の符号を思い出そう。
ヒント 2
自由電子の電気量は で負なので、自由電子の移動の向きは電流の向きと逆になる。電流の大きさは、断面を単位時間あたりに通過する電気量で決まり、それには電子全体が一方向に移動する速さが関係する。
ヒント 3
自由電子の移動の向きを電流と同じとしているもの、電子の電荷を正としているものは誤りである。残りの文が教科書の定義や式と合っているかを確かめよう。
答えと解説
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ア, ウ, オ
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解説を読む
金属の導線の中では、負の電荷をもつ自由電子が移動することで電流が流れる。一方、電流の向きは正の電荷が移動する向きと決められているので、自由電子は電流の向きと逆向きに移動する。
- ア: 正しい。電流の向きは正の電荷が移動する向きと定められている。
- イ: 誤り。自由電子は負の電荷をもつので、電流の向きとは逆向きに移動する。「同じ向き」が誤り。
- ウ: 正しい。電流の大きさは、導線の断面を単位時間あたりに通過する電気量で表され、 間に の電気量が通過するときの電流が である。
- エ: 誤り。自由電子 1 個の電気量は であり、負である。大きさが である点は正しいが、「正」が誤り。
- オ: 正しい。自由電子は熱運動によって非常に大きな速さで不規則に動いているが、その向きはばらばらなので、熱運動だけでは断面を通過する電気量は差し引き になり、電流には寄与しない。電流に関係するのは、電子全体が電場から力を受けて導線に沿って一方向に移動する平均の速さ である。この速さで移動すると、単位時間に断面を通過するのは、長さ 、断面積 の円柱の中の自由電子 個であり、その電気量の大きさは である。よって電流の大きさは となる。
- カ: 誤り。電流は電池の外部の導線を正極側から負極側へ流れるので、自由電子はその逆に、負極につながった側から正極につながった側へ移動する。
よって正しいものはア、ウ、オである。
別解
各選択肢を確かめる。
- ア: 電流の向きは正の電荷が移動する向きと定められている。正しい。
- イ: 自由電子は負の電荷をもつので、電流の向きと逆向きに移動する。誤り。
- ウ: 電流の大きさは、導線の断面を単位時間あたりに通過する電気量の大きさである。正しい。
- エ: 自由電子の電気量は で負である。誤り。
- オ: 時間 の間に断面を通過する自由電子は体積 中のもので、その数は 、電気量の大きさは 。よって電流の大きさは 。正しい。
- カ: 電池の外部の導線では電流は正極から負極へ流れるので、自由電子は負極側から正極側へ移動する。誤り。
答え: ア, ウ, オ