最終更新: 2026-07-01

ドリフト速度

ドリフト速度とは、導体に電流が流れているときに電荷キャリア（通常は自由電子）が導体に沿って移動する正味の平均速度です。キャリア自身は金属の原子と絶えず衝突しながら高速で乱雑に動いていますが、その乱雑な運動に重ね合わされた小さな一定の流れが電流を担います。この計算では、電流・キャリア密度・断面積・キャリア1個あたりの電荷から、$v_d = I /(n A q)$ を用いてドリフト速度を求めます。

式の導き方

時間 $t$ のあいだにキャリアは導体に沿って $v_d\, t$ だけ移動します。その長さの中にあるすべてのキャリアがある断面を通過するので、掃く体積は $A\, v_d\, t$ です。これにキャリア密度 $n$ を掛ければキャリア数が、さらに1個あたりの電荷 $q$ を掛ければ断面を通過する総電荷が得られます。

$$Q = n \cdot (A\, v_d\, t) \cdot q$$

電流は単位時間あたりの電荷 $I = Q/t$ なので、時間が消えます。

$$I = n A q\, v_d$$

ドリフト速度について解くと $v_d = I /(n A q)$ となります。

計算式

量	記号	意味
ドリフト速度	$v_d$	$v_d = \dfrac{I}{n A q}$
電流	$I$	導体を流れる電流
キャリア密度	$n$	1立方メートルあたりの可動キャリア数
断面積	$A$	導体断面の面積
キャリア1個あたりの電荷	$q$	電子では $1.602\times10^{-19}\ \text{C}$

金属では $n$ は1立方メートルあたりの自由電子数で、銅では約 $8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$、$q$ は電気素量 $e = 1.602\times10^{-19}\ \text{C}$ です。

計算例

断面積 $A = 1\ \text{mm}^2 = 1\times10^{-6}\ \text{m}^2$ の銅線に $I = 1\ \text{A}$ の電流が流れる場合を考えます。銅の自由電子数は $n = 8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$、各電子の電荷は $q = 1.602\times10^{-19}\ \text{C}$ です。

$$\begin{aligned} v_d &= \frac{I}{n A q} \\ &= \frac{1}{\left(8.5\times10^{28}\right)\left(1\times10^{-6}\right)\left(1.602\times10^{-19}\right)} \\ &\approx 7.34\times10^{-5}\ \text{m/s} \end{aligned}$$

これは約 0.073 mm/s、1時間で約 7 センチメートルというごくわずかな速さです。スイッチを入れた瞬間に電球が点灯する現象からすると、驚くほど遅い歩みです。

ドリフト速度が小さい理由

ドリフト速度が非常に小さいのは、電子が遅いからではなく、その数があまりに多いためです。銅 1 立方ミリメートルの中には約 $8.5\times10^{19}$ 個の自由電子があります。これほど膨大なキャリアがあれば、各電子がわずかに前進するだけで相当の電流を運べます。同じ電子の熱運動の速さは $10^6\ \text{m/s}$ のオーダーで、ドリフトの百億倍以上ですが、この運動は平均するとゼロになり、正味の電流には寄与しません。

ドリフト速度と信号の速さ

ドリフトの遅さは明らかな疑問を生みます。電子が毎秒わずか数分の1ミリメートルしか進まないのに、なぜスイッチを閉じた瞬間に照明が点くのでしょうか。答えは、電気信号と電子は別物だということです。回路がつながると電場が光速のかなりの割合で導体中を伝わり、導線に沿ったすべてのキャリアがほぼ同時にドリフトを始めます。個々の電子はドリフト速度でわずかに動くだけですが、電流は回路全体でごく短い時間のうちに確立されます。

適用範囲

この式は、一定の密度をもつ1種類のキャリアが、一様な断面の導体を移動する場合を仮定しています。半導体では電子と正孔の両方が寄与し、それぞれ密度と移動度が異なるため、電流は2つのドリフト項の和になります。キャリア密度 $n$ は物質によって桁が大きく変わり、同じ電流でも軽くドープされた半導体では金属よりはるかに大きなドリフト速度になります。もっとも、日常の金属配線については、上記の単一キャリアの結果で十分に精度の高い見積もりが得られます。

よくある質問 (FAQ)

ドリフト速度とは何ですか

ドリフト速度とは、電流が流れているときに電荷キャリア（通常は自由電子）が導体中を移動する正味の平均速度です。個々の電子はあらゆる方向に高速でランダムに動いていますが、電圧が加わるとそこに一方向への小さな一定の流れ（ドリフト）が重なります。この流れが電流の正体で、vₐ = I /(n·A·q) で表されます。ここで I は電流、n はキャリア密度、A は断面積、q はキャリア1個あたりの電荷です。

ドリフト速度はなぜこれほど小さいのですか

ドリフト速度が非常に小さいのは、導体に膨大な数の電荷キャリアが存在するためです。銅は1立方メートルあたり約 8.5 × 10²⁸ 個の自由電子をもつため、わずかな電流でも極めて多数の電子が分担して運び、各電子はほんの少し前進すれば済みます。1 mm² の銅線に 1 A を流した場合、ドリフト速度は約 7 × 10⁻⁵ m/s で、1秒あたり0.1ミリメートルにも達しません。

ドリフト速度が遅いのに、なぜ照明はすぐに点灯するのですか

電気信号は電子そのものよりはるかに速く伝わります。回路がつながると電場が光速に近い速さで導体中を伝わり、導線のあらゆる場所のキャリアがほぼ同時に動き始めます。個々の電子はドリフト速度でゆっくり進みますが、回路全体としての応答、すなわち電流はごく短い時間で確立されます。

vₐ = I /(n·A·q) の各項は何を表しますか

I はアンペア単位の電流です。n はキャリア密度で、1立方メートルあたりの可動キャリアの数です。A は導体断面積で、単位は平方メートルです。q は各キャリアの電荷で、電子の場合は電気素量 1.602 × 10⁻¹⁹ C です。積 n·A·q は移動できる単位長さあたりの電荷にあたり、電流をこれで割るとその電荷が移動する速度が得られます。