物理/電気と磁気(1) 静電気と電界、電流と磁界

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2011年5月5日 (木) 14:11時点における版

物理 ＞ 9章　電気と磁気(1) 静電気と電界、電流と磁界

テレビ、電話、携帯電話、冷蔵庫、パソコン、コピー機。現代社会は電気や磁気を利用した製品に満ちている。この章と次の章では、電気・磁気は何か、どのような性質を持つかについて学ぶ。

• 参考文献；ウィキブックス（高等学校理科 物理II 電気と磁気）

　電磁気現象の根源　

物質をつくっている原子は、原子核と電子から出来ている。詳しいことは１１章で学ぶが、原子核はいくつかの陽子と中性子からできている。電子の個数は陽子と同数である。 陽子は正の電荷＋eをもち、電子はこれと同じ大きさで符号が反対の負の電荷－eを持つ。同符号の電荷は互いに反発し、異符号の電荷は互いに引き合う。

陽子と電子の存在により、原子や分子、固体・液体など物体は生成され、電荷、電流、磁石、電磁場、電磁波などの現象が生じる。この章と次章でこれらについて学ぶ。

静電気

この節では、まず、静止した電荷（静電気という）の性質を学ぶ。

電荷

原子は正負等しい電荷をもつので、離れた所から観測すれば、正と負の電荷が打ち消しあっている（電荷をもたない）。したがって、物質は通常は電荷を持たない。物質が電子をいくつか失ったり、獲得すると、物質は電荷を帯びる。帯電するという。したがって全ての電荷はe　の整数倍である。eを電気素量という。

電荷の単位

• ウィキペディア（クーロン）

電荷保存の法則

電荷は消滅も生成もしないことが、経験によって確かめられている。これを電荷保存法則という。

• ウィキペディア（電荷保存の法則）

摩擦電気

２つの物質をこすりあわせると、このエネルギーで、電子が一方の物質から他方の物質に移動して、前者は正の電荷を帯び、（電荷保存法則より）後者はそれと同じ大きさの負の電荷を帯びる。この帯電した電気を摩擦電気という。

• ウィキペディア（摩擦電気）

クーロンの法則

静止した同符号の２つの電荷は互いに反発し、異符号の電荷は互いに引き合う。この力の向きは、２つの電荷を結ぶ直線の方向と一致し、その大きさは２つの電荷の積に比例し、その距離の２乗に反比例する。具体的には、

• ウィキペディア（クーロンの法則）

を参照のこと。向きも考慮したベクトル表示にも慣れたおくと良い。電荷の位置ベクトルを、電荷の位置ベクトルを、電荷が電荷から受けるクーロン力をとすると にも慣れたおくと良い。

３つ以上の電荷に働く力

N 個（＞２）の電荷 があるとき、 に作用する電気力は、　のそれぞれからが受けるクーロン力（ベクトル表示）の和になることが実験で確かめられている。 これを、クーロン力の重ね合わせ原理という。

電気力と重力の比較

電界（あるいは電場）

電荷間に作用する力を近接作用の考え方で考察して電界（電場ともいう）という重要な概念を得る。クーロンの法則を電界の概念でいいかえると、電界にかんするガウスの法則が得られる。電界から電位や電圧という重要な概念も得られる。

遠隔作用と近接作用

電荷の間のクーロン力はどのようにして働くのだろうか。遠隔作用と近接作用の二通りの考え方がある。遠隔作用では、電荷が互いに直接力を及ぼしていると考え、近接作用では、電荷が空間を歪ませ、この歪んだ空間がもう一つの電荷に力を及ぼすと考える。現在は近接作用が自然の法則と考えられている。

点電荷のつくる電界

大きさの無視できる電荷を点電荷という。点電荷のつくる電界については

• ウィキペディア（電場）　の2.1 クーロンの法則

を参照のこと。

２つ以上の電荷の作る電界

電位

• ウィキペディア（電位）

電流

電流と磁界

磁界が電流に及ぼす力

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