電子と電流の向きはなぜ逆？陰極線・十字板も現役教員の図解で完ぺき｜中2理科

いいえ、光っているのは電子そのものではありません。

電子はあまりにも小さすぎて、目で見ることはできません。

光って見える正体は、飛び出した電子が管の中にわずかに残った気体の粒にぶつかり、その気体がエネルギーを受けて光を放っているからです。

「電子が通ったあとに光の道ができている」とイメージすると分かりやすいでしょう。

街中で見かけるネオンサイン（ネオンランプ）も、この真空放電の原理を利用して、中の気体を光らせています。

いいえ、実はわずかに空気が残っています。

「真空」という言葉から、中には何もないと思われがちですが、実際には空気を少しだけ残した状態（低圧）にしています。

完全に空気をゼロにするのではなく、実験に適したうすい空気の状態に調整されています。

現在の科学では、電子は「大きさのない点」のようなものだと考えられています。

「粒」と説明されることが多いですが、顕微鏡で見えるような「球体」ではありません。

場所も一点に止まっているわけではなく、雲のようにぼんやりと広がって存在しているという不思議な性質を持っています。

この実験だけで断言できるのは、「陰極線はマイナスの電気を帯びている」という性質までです。

この実験では、陰極線が＋極側に曲がることからマイナスの性質を持つナニカであることは確実に分かります。

しかし、そのナニカが原子より小さな粒（電子）であることや、どれくらいの重さがあるかまでは、この実験だけでは断言できません。

正体を知るために、「見えないものを見えるようにする工夫」が必要だったからです。

実は、電子の正体が解明される前から「放電管のガラスがぼんやり光る」現象は知られていました。

当時の科学者たちは「正体は不明だが、何かが当たると光るらしい」というヒントから「もっと光りやすい物質を塗れば、通り道がハッキリ見えるはずだ」と考えたのです。

「道具をつくってよく観察できるようにしたから、正体がわかった」というのが科学の面白いところです。

「電気の流れる向き」を世界で最初に決めた人です。

まだ電子の正体がわかっていなかった1700年代に、フランクリンが「電気の流れる向きを＋から－とする」と決めました。

のちに、実際に動いている電子は「－から＋」に向かっていると判明しましたが、フランクリンの決めたルールが世界中に広まっていたため、今でも「電流と電子の向きは逆」と教えることになったのです。

いいえ、実は違います。  十字板の実験は、1879年にイギリスのクルックスが発表したものです。

• クルックス： 陰極線が光のようにまっすぐ進む（直進する）ことを証明した
• トムソン： 陰極線を曲げる実験を行い、その正体が「原子よりも小さな粒（電子）」であることを突き止めた

「原子の中にはもっと小さな粒がある」ことを証明した、ノーベル賞科学者です。

それまで「原子は、それ以上分けられない究極の粒」だと信じられていました。

そこにイギリスのJ.J.トムソンが「いや、原子の中にはもっと小さくて重さのある粒（電子）が詰まっている！」という発見をしたのです。

影がはっきり映りやすく、実験器具としてのバランスも良かったからです。

当時の科学者クルックスが、見た目の美しさや影の作りやすさを考えて、当時有名だった「マルタ十字」という紋章の形を採用しました。

形自体に特別な科学的意味はありませんが、この形が一番きれいに実験結果を見せることができたのです。

「負極（ふきょく）」は電池のマイナス極、「陰極（いんきょく）」は電気を使う装置のマイナス極を指します。

放電管は「電気を使う装置」なので、マイナス極のことを「陰極」と呼びます。

どちらも「マイナスの極」であることに変わりはないので、中学理科では「－極」とまとめて覚えておいても大丈夫です。

一般的には「クルックス管」と呼ばれます。

1870年代にイギリスのウィリアム・クルックスが改良して広めたため、彼の名前をとってこう呼ばれるようになりました。

中の構造によってさらに細かく呼び分けることもあります。

• 十字板入り放電管：
  正式にはクルックスの十字架管（Crookes’s Maltese Cross tube）などと呼ばれる。
  海外の科学館や専門書ではMaltese Cross tube（マルタ十字管）と表記されるのが一般的

• 蛍光板入り放電管：
  陰極線の軌道を見るためのものなので、専門的には陰極線偏向管（Deflection tube）、あるいは単に蛍光板付きクルックス管と呼ばれる

十字板は「金属」でできており、電極（＋極）と直接つながっています。

詳しいしくみは以下のとおりです。

1. 十字板の素材

十字板は、アルミなどの金属で作られています。

なぜ金属なのかというと、電子（陰極線）がぶつかったときに、その電気を逃がしてやる必要があるからです。

もし板が絶縁体（電気を通さないもの）だと、板に電子がたまってしまい、後から来る電子を反発させて影がゆがんでしまう可能性があります。

2. 電極との接続

十字板は、放電管の＋極（陽極）と金属線で直接つながっています。

「－極」から飛び出した電子は、直進して十字板にぶつかります。

ぶつかった電子はそのまま金属の板を通って＋極へと流れていくしくみです。

3. なぜ＋極につなぐのか

放電を安定させるためです。

十字板そのものを＋極の一部としてあつかうことで、－極から出た電子を強力に引きつけ、まっすぐに飛ばす役割もかねています。

ガラスの表面を伝わったり、近くの＋極（陽極）に吸い寄せられたりして、最終的に回路へと戻っていきます。

電子がガラスにぶつかって終わり（影ができるだけ）のように見えますが、詳しくは以下のように電子が動いています。

1. ガラスの表面を伝わる

ガラスは本来「絶縁体（電気を通さない物質）」。

しかし真空放電のような高電圧の状態では、電子がガラスの表面をうすく這（は）うように移動できます。

2. ＋極（陽極）へ回収される

十字板の実験装置では、十字板そのものが＋極になっていたり、あるいは管の横側に＋極の端子がついていたりします。

ガラスにぶつかった電子たちは、一番近くにある「プラスの引き合う力」を頼りに移動し、＋極から導線を通って電源装置へと帰っていきます。

3. もし回収されなかったら？

もし電子がどこにも逃げ場を失うと、ガラスの表面にマイナスの電気がどんどんたまってしまいます（帯電）。

そうなると、後から飛んでくる電子をマイナス同士の反発力で押し返してしまい、放電が止まったり、影の形がめちゃくちゃに歪んだりしてしまいます。

そうならないように、放電管は電子がスムーズに＋極へ回収されるような構造で設計されています。

家庭用の電気（100V）を、放電に必要な「数万ボルト」という超高電圧に変えるための装置です。

ふだん私たちが使っている電気や電池の電圧（1.5V〜100V）では、空気の中を電気が飛び出す「放電」を起こすには全く足りません。

そこで誘導コイルを使って、一気に数万ボルトまで電圧を跳ね上げます。

あの「ジジジ…」という独特な音は、強力な電気が作られているサインです。

非常に高い電圧を扱うため、実験中は絶対に端子に触れてはいけないというルールがあるのもこのためです。

電圧はおよそ1億ボルト以上、電流は数万アンペアに達します。

身近な電気現象と比較すると、その凄まじさがよくわかります。

ここがポイント！

• 静電気の意外な正体：
  冬に「パチッ」とくる静電気は、実は数千ボルトもの電圧があります。
  それでも感電死しないのは、流れる電流が極めて少なく、一瞬で終わってしまうからです。

• 雷が危険な理由：
  雷は電圧が高いだけでなく、流れる電流も数万アンペアと巨大です。
  一瞬であっても人間が受ければ命に関わるほどのエネルギーになります。

• 絶縁破壊（ぜんえんはかい）：
  空気は本来電気を通しませんが、1cmのすき間で放電を起こすには約3万ボルトの電圧が必要といわれています。
  雷が数キロ先の地面までとどくのは、それだけ圧倒的な電圧（1億ボルト以上）で空気のカベをつきやぶっている証拠なのです。

1秒間も受け続ければかなり深刻な事態になります。

電気の危険性は「電圧（V）」だけでなく、「電流（A）×時間（s）」の量で決まります。

• 電圧（10万ボルト）：
  家庭用コンセント（100V）の1000倍、実験用誘導コイルの約2〜3倍という超高電圧です。
  これだけの電圧があると、空気のカベを突き破って、離れていても火花となって体に電気が流れ込みます。

• 電流と時間（1秒間）：
  もしピカチュウの放電によって、体に「1アンペア（1A）」以上の電流が「1秒間」流れたとすると、それは雷の直撃を受けたのと近い状態になります。
  人間はわずか0.1A（100mA）の電流が0.5秒流れるだけでも、心臓が正常に動けなくなるほどの大きなダメージを受けるからです。

アニメのように「しびれて黒焦げになる」だけで済むのは、現実の物理法則では考えにくい、まさにファンタジーの世界ならではの光景といえます。

現実で10万ボルトの電気を扱う設備（送電線など）に近づくのが厳禁なのは、一瞬の接触が取り返しのつかない結果を招くからです。

ガラス容器の中に電極を閉じ込め、中の空気をうすくした装置のことです。形や用途によっていろいろな種類があります。

放電管は、容器内の気体の圧力を小さくし（真空に近づけ）、金属の電極を2つ以上入れたものです。

容器内の気体の種類や、真空の度合いによって、光り方や性質が大きく変わるのが特徴です。

• 身近な例：ネオン管
  看板などで使われる「ネオン管」も放電管の一種です。
  容器内に入れる気体の種類を変えることで、赤や青などさまざまな色に光らせることができます

• 理科の実験：クルックス管
  授業で使う「十字板入り」や「蛍光板入り」のものは、イギリスの科学者クルックスが改良したもので、特に「クルックス管」と呼ばれます

放電管の中の「空気のうすさ（気圧）」によって、光り方がどう変わるかを観察するための装置です。

放電管に誘導コイルで高い電圧を加えると、中の空気のうすさ（圧力）のちがいによって、放電のようすがはっきりと変化します。

クロス真空計は、圧力の異なる放電管が並んでおり、その違いを一目で比較できるようになっています。

• 空気が少し残っているとき：
  細い糸のような光や、モヤモヤとした層状の光が見える

• さらに空気を抜いたとき：
  管全体がぼんやり光り始める

• もっと空気を抜いたとき（高真空）：
  光が消え、代わりにガラス管そのものが黄緑色に光り始める
  ※これが陰極線の正体

上記のように、目に見えない空気のうすさを光の変化として教えてくれるのが、クロス真空計の役割です。