物理/静電気と電界・静磁気

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物理 ＞ ９章　電気と磁気(1) 静電気と電界、静磁気

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。

目次

　電磁気現象の根源　

詳しいことは１１章で学ぶが、物質をつくっている原子は、原子核とその周りを回る電子から出来ている。
原子核はいくつかの陽子と中性子からできている。　
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。
電子の個数は陽子と同数であり、原子を離れて眺めると、正負の電荷が打ち消しあって電気を持たないように見える。
電荷の間には電気力が働く。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。　　
原子核と電子は引き合い、原子を作っている。また近くの原子同士も電気力で引き合い分子をつくり、気体や液体、固体をつくる。
帯電、静電気、磁石、電流、電磁波など、すべての電磁気現象は、電子と陽子の存在と運動によって生じる。　
この章と次章でこれらの電磁気現象とその法則について学ぶ。　　　　
（注）電荷の正負について：陽子どうし、電子どうしは反発するが、陽子と電子は引き合う。従って陽子と電子はことなった電荷である。さらに陽子と電子の個数が同じだと離れた所からみると、打ち消し合って電荷がないようにみえる。このため一方の電荷に+、他方にーをつけて扱うと大変具合が良い。そこで正、負の電荷として両者をあつかうのである。どちらにーをあててもよかったが歴史的に電子にーをあてた。
なお、原子核のなかで電気的に反発する複数の陽子がくっついているのは、反発力より強い核力で引き合っているため（後で学ぶ）。

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。

帯電と電気素量

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,電荷をもたない。
物質は、原子から出来ているので、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。
したがって全ての物質の電荷量は e の整数倍である。e を電気素量という。

点電荷

大きさの無視できる小さな電荷を点電荷という。

電荷の単位

電荷の単位は、クーロン（[C]）とよばれ、電流を利用して決められる。

電気素量は、 e = 1.6\times 10^{-19}[C]

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。

導体、不導体、半導体

導体（電気伝導体ともいう）；　ウィキペディア（電気伝導体）　　
不導体（絶縁体ともいう）；　ウィキペディア（絶縁体）
半導体；　　ウィキペディア（半導体）

摩擦電気

２つの不導体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する。　
前者は正の電荷をもつ陽子の個数が電子の個数より多くなるので正の電荷を帯び、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。

クーロンの法則

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。　
２つの静止した点電荷間の力の向きは、これら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。クーロンの法則という。具体的には、

向きと大きさを同時に記述できるのでベクトル表示は便利である。

電荷q_1の位置ベクトルを\vec{r_1}、電荷q_2の位置ベクトルを\vec{r_2}、電荷q_1が電荷q_2から受けるクーロン力を\vec{F_1}とすると　　　
\vec{F_1}=k\frac{1}{|\vec{r_1}-\vec{r_2}|^2}\frac{\vec{r_1}-\vec{r_2}}{|\vec{r_1}-{r_2}|}

この表現法に慣れておくとよい。ここで、 k=\frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} で \varepsilon_0 は真空の誘電率と呼ばれる。
実測によるとk = 9.0\times 10^{9}[\frac{N m^2}{C^2}] 、\varepsilon_0 = 8.9\times 10^{-12} [\frac{C^2}{N m^2}] である。　　　

運動する2つの電荷の間にも力が働くが大変複雑であり、大学で学ぶ。


　３つ以上の電荷に働く力

N 個（＞２）の電荷q_1,,,,q_N があるとき、q_1 に作用する電気力は、q_2,,,,q_N 　のそれぞれからq_1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。

　クーロン力は保存力
クーロン力は、５章　力学(4) 運動量と力学的エネルギー保存則によれば、保存力であることが分かる。

保存力は位置エネルギをもつ。クーロン力の位置エネルギーを電位という。詳しくは後述する。

電気力は重力よりはるかに大きいこと

質量１ｇの2つの質点にそれぞれ1クーロンの電気を帯電させ、1ｃｍ離しておいたときに作用する, 静電気力と重力を計算して比較すること。

電界（電場ともいう）

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という二つの考え方がある。
遠隔作用では、離れた電荷が直接互いに力を及ぼしていると考える。
動いている電荷間に働く力を直接記述すると大変複雑であり、遠隔作用に基づく電磁気現象の記述や解析は困難である。

近接作用では、電荷は空間全体の性質をかえ電界を作り、この電界の中におかれた他の電荷は、その場所の電界から力を受けると考える。　
この考え方に基づく現象の記述や解析は、遠隔作用にくらべ、簡明・容易である。　
現在では近接作用に基づいて、電磁気の基本法則は記述・解析され、有効性が確かめられている。

電界の定義

電荷に静電気力（クーロン力）を及ぼす空間を電界（電場ともいう）と呼ぶ。
特に時間がたっても変化しない電界を静電界という。 空間の任意の点の電界の強さと向きは、その点に単位電荷を置いたときに作用する静電気力で定義する。　
正確にいうと、単位電荷をおくと、空間の電界をつくっている電荷達に力を及ぼし、動かしてしまい、電界を変えてしまうので、
無限小の電荷ｑを置いた時作用する電気力を　\mathit{f} とするとき、　 \frac{f}{q} 　 で電界を決め, \vec{E(x)} 　　で表す。

力はベクトルなので、作用する電気力で定義する電界はベクトルである。
詳しくは

静止した点電荷の作る電界　

空間の位置\vec{r}に置いた電荷\mathit{q}が位置ベクトル\vec{r'} の場所に作る電界は、クーロンの法則と 電界の定義から、
\vec{E_q(r')}=\frac{kq}{|\vec{r'}-\vec{r}|^2}\frac{\vec{r'}-\vec{r}}{|\vec{r'}-{r}|}

電界によるクーロンの法則の表現

場所\vec{r}の電荷 \mathit{q} と、場所\vec{r'}の電荷 \mathit{q'} の間に働く電気力は、
\vec{F}=qk\frac{q'}{|\vec{r}-\vec{r'}|^2}\frac{\vec{r}-\vec{r'}}{|\vec{r}-{r'}|}=q\vec{E_{q'}(r)} ; 電荷 \mathit{q} に働く力
\vec{F'}=q'k\frac{q}{|\vec{r'}-\vec{r}|^2}\frac{\vec{r'}-\vec{r}}{|\vec{r'}-{r}|}=q'\vec{E_q(r')} ；電荷 \mathit{q'} に働く力

点電荷のつくる電界

点電荷のつくる電界については

を参照のこと。静電荷の作る電界は、時間変動がなく、静電界と呼ばれる。　

２つ以上の点電荷の作る電界

クーロン力の重ね合わせの原理と電界の定義から、それぞれの電荷がつくる電界のベクトル和を取れば良いことが分かる。電界の重ね合わせの原理という。

電界の単位

\vec{F}=\mathit{q}\vec{E} 、電荷\mathit{q}の単位はＣ（クーロン）、力 \vec{F} の単位はN（ニュートン）なので、
電界 \vec{E} の単位はＮ/Ｃ である。

電気力線とガウスの法則

電気力線とは　　

電界を目で見て理解できるように工夫したのが電気力線。
電界内で正の電荷が電界から力を受けて非常にゆっくりと動く時の向きのついた軌跡（曲線）を考え、電気力線と呼ぶ。
正確には、曲線の各点の接線の向きが電界の向きに一致する曲線を、電気力線という。

電気力線の本数と密度

ある点Pで電界の強さが \mathit{E}=|\vec{E}| 　であるとき、
その点の周りに電界と直交する微小な平面部分を考え、
　そこを1m^2 あたり \mathit{E} 本の密度で電気力線が通るように描いて、電界の強さを表示する（電界の強さが、負のときは向きを逆に、また整数でなく、例えば0.1のような時は、一つの電気力線が0.1本を表すとして、図示すればよい）。

ガウスの法則

●　Ｏ点に置かれた一つの点電荷 +q がつくる電気力線の場合；
電気力線はＯ点を始点とする外向きの半直線となる。
その密度；Ｏ点を中心とし半径r [ｍ]の球面上での電界の大きさは、\mathit{E}=\frac{q}{4 \pi \varepsilon_0}\frac{1}{r^2}=\frac{kq}{r^2} [N/C] なので、この球面を1m^2 あたり E 本の電気力線が、中から外に向かって、貫く。
球面の中から外に向かう電気力線の総本数；球面の面積は 4 \pi r^2 なので、球面全体を貫いて出ていく電気力線の総本数は\frac{q}{\varepsilon_0} =4\pi kq。球面の半径を変えてもこの本数は変わらない。大学で学ぶ少し高等な数学を利用すると、Ｏ点を含む任意の形状の立体の表面を貫いて出ていく電気力線の総数も、\frac{q}{\varepsilon_0} であることが示せる。
●Ｏ点を含まない任意の形状の立体の表面を考えると、Ｏ点からの半直線である電気力線がこの面から立体の中にはいると、必ず出ていくので、この立体に入る電気力線の本数は、出ていく本数と等しい。前者は負の本数と取り決めると、立体を出ていく本数の合計は0本となる。故に、電荷が内部にあろうとなかろうと任意の形状の立体の表面を貫いて出ていく電気力線の総数＝\frac{q}{\varepsilon_0} が成立する。ここで q はこの立体の内部にある点電荷。
●　重ね合わせの原理をもちいると、上記の法則は次のように、一般化出来る。
任意の形状の立体の表面を貫いて出ていく電気力線の総数＝\frac{q}{\varepsilon_0} 。 ここで、qはこの立体の内部にある全電荷量。
これをガウスの法則という。電磁気学の基本法則の一つで重要な法則である。

ガウスの法則の応用

例１：面密度（単位面積あたりの電荷量）\sigma 　で、一様に電荷が分布する無限に広い平面の作る電界。
ヒント　平面から距離ｄの点の電界は、対称性から向きはこの平面に直行し、大きさはどのでも等しい。平面から距離ｄ以内の点のつくる正方体を考え、ガウスの法則を適用する。
解：E=\frac{\sigma}{2 \varepsilon_0}
例2：平行板コンダンサー（2枚の金属の薄い平板を距離ｄをへだてて平行に置き電極をつけたもの。ｄに比べ極板面積は十分大きいとする）の1枚の極板に面密度 +\sigma 、他方の極板に面密度-\sigma の電荷を帯電させた時、周りに生じる電界を求めよ。
解：例１と重ね合わせの原理より、極板間ではE=\frac{\sigma}{\varepsilon_0} ,　他では零。

電位と電圧

電界中で電荷は力を受ける。その力と逆向きで同じ大きさ（実際にはそれより無限小だけ大きい）の力を与えて、単位電荷を基準とするＯ点からＡ点に（電荷の運動エネルギーが無視できるほどに）ゆっくり動かすのに必要なエネルギーを、Ｏ点を基準点としたＡ点の電位という。
前述のように点電荷のクーロン力は保存力なので、Ｏ点からＡ点に動かす経路に関係なく,このエネルギーは一定なので、電位は定まる。　　
複雑に配置された電荷のつくる電界の場合にも、重ね合わせの原理から、電界からうける力は保存力となり、電位は経路に関係なく定まる。　　

電位については以下を参照のこと。

２点間の電位の差を、電位差あるいは電圧という。

また保存力については、

を参照のこと。

電界と直交する曲線上では等電位

曲線のどの場所でも電界と直交する曲線Ｃを考える。この上では電位は等しいことが次のようにして示せる。
曲線上の任意の点Ａから、曲線上の他の点Ｂまで、単位電荷を曲線にそってゆっくり移動させよう。
この時電荷に加える力は、電界と逆むきで大きさの等しい力である（これ以外に、Ｃ上をゆっくり動かすために無限に小さな力を加えたもの。しかしこれはいくらでも小さくできるので無視できる）。
しかしＣ上を動くときは、動く方向は、常に電界と直交するので、電荷に加える力とも直交し、仕事は零となる。したがって電位は等しい。

電位・電圧の単位

電荷の単位を[C],仕事の単位を[J]にした時の電位を、ボルトという。すなわち[V]=[J/C]。

点電荷のつくる電界の電位

電位の基準点として無限の彼方をとる。Ａ点に置かれた＋ｑ[C]の電荷のつくる電界の電位は、Ａ点から距離ｒ[m]の点Ｐで、\mathit{V}=\frac{q}{4 \pi \varepsilon_0 r}　。　　これは単位の正電荷を無限遠点からＰ点まで、クーロン力に抗した力を加えゆっくり動かす時の力のなすエネルギーを積分計算して求めればよい。

２つ以上の点電荷の作る電界の電位

電界の重ね合わせの原理から、それぞれの点電荷のつくる電位を加えればよい。

　電気双極子　


等電位面

電位の等しい点をつないで出来る面を等電位面という。等電位面と電気力線は直交していることが示せる。導体のすぐ外側の電界は、導体表面に垂直である。理由を考えてみてください。

静電界中の導体と静電誘導

導体に、静電界をかけると、最初はこれが導体内部の電界となり、導体内部の自由電子はこれから力を受けて移動する。導体の片側は正、他方は負に帯電し、その電荷により、外部電界を打ち消す方向の電界が発生する。この電界と外部電界の和が導体内部の電界となる。この導体内部の電界により、自由電子は力を受けるので、これが零になるまで自由電子は移動し続ける（短時間で導体内部の電界は零になり電子の移動はなくなる）。これを静電誘導という。詳しくは

静電遮蔽

静電界の中に置かれた、導体の箱の中の空間には、電荷が存在しない限り、電界は存在せず、電位は一定である。このように導体の箱の内部は、外部の静電界から遮蔽されている。　　　
問い。何故か、考察せよ。　　　
ヒント：　背理法で証明する。もし、箱の内部の電位が一定でないとすると、「電位は、ある内部の点ｐで最大値をとり、その値は導体箱の電位（一定）より大きい」か、 「ある内部の点ｐ’で最小値をとり、その値は導体箱の電位より小さい」。前者では、ｐ点を含む小さな立体を考えると、それを内から外へ貫く電気力線の数は正となり、ガウスの法則に反する。後者でも同様。

コンデンサー

コンデンサーは電気を蓄える道具である。

コンデンサーに蓄えられる電気量Ｑと電圧Ｖの関係

Q = C V
Ｃはコンデンサーの電気容量と呼ばれる。その単位は,上の式から、Ｃ／Ｑであり、ファラッドＦと呼ばれる。
平行板コンデンサーの場合には、極板の面積をＳ，極板間の距離をｄとすると、C = \varepsilon_0 \frac{S}{d}.
ここで、\varepsilon_0 = 8.85418782*10^{-12} [F/m] は真空の誘電率, [F/m]＝[\frac{C^2}{N m^2}] 。 この電気容量は、Q = S\sigma であることと、前に求めた平行板コンデンサーの極板間の電界の大きさE=\frac{\sigma}{\varepsilon_0} に極板間の距離ｄを掛けると極板間電圧Ｖになることから、容易に導ける。

たくわえられるエネルギー

コンデンサーに電荷 Q_1 を蓄えるのに必要なエネルギーEは、 E = \frac{1}{2} Q_1 V_1 =\frac{1}{2} C {V_1}^2 である。　ここで、 Q_1 = C V_1
その理由：横軸にＱ，縦軸にＶをとり、Q = C V のグラフ（直線）を書く。q = C v とし、電荷をq からq＋\delta{q} まで増やすのに必要なエネルギーは \delta{E} = \delta{q} v なので, \delta{q} を小さくとれば、 \delta{E} は,Ｑ軸と直交する2本の直線 Q=q, Q=q+\delta{q} と直線Q = C V で囲まれた領域の面積にほぼ等しい。 全エネルギーE　は、 q = 0 で \delta{E} を求め始め、q=0＋\delta{q} 、 q=0 ＋2\delta{q} 、、、、と増やして q = Q_1 -\delta{q} までの \delta{E} を求め。加え合わせればよい。故にE は、Ｑ軸と直線 Q = Q_1 ,直線Q = C V によって囲まれる3角形の面積になる。


電界中の不導体と誘電分極　

不導体は、自由電子をもたないので電界のなかにおいても何の変化も起こさない思える。しかし、 ファラデーは、コンデンサーの極板間に不導体をいれると、その容量が増すことを発見した。

ファラデーの発見した経験則と比誘電率　

極板間を誘電体（不導体）で完全に満たすと、コンデンサーの容量は次のように増える。C = \varepsilon_r \varepsilon_0 \frac{S}{d}。 ここで、 \varepsilon_r は比誘電率といい、1以上の、誘電体に固有な値。

\varepsilon_r \varepsilon_0 を、この不導体の誘電率という。　　　

極板間を完全には満たさない薄い不導体をいれても、その厚さに応じて、コンデンサーの容量は増加する。

誘電分極の発見　

不導体を極板間にいれると、何故、容量は増加するのだろうか。

容量増大とは、極板間に同じ電圧をかけた時に極板にたまる電荷が増えることを意味する。　
もし挿入した不導体に何の変化もないとすると、極板間の電圧は、極板の電荷量に比例して大きくなる（何故なら、重ね合わせ原理から電荷量 とそれが作る電界とは比例）。　これは電圧が同じであることと矛盾する。
極板に接する不導体の表面に、不導体の挿入で増える極板電荷を打ち消す、電荷がたまるという結論が得られる。　
では、何故コンデンサーに挿入された（言い換えると電界のかかった）不導体の表面に、電荷が貯まるのか？　　

　静磁気

古代ギリシアでは、鉄を引き寄せる石として磁石はすでに知られていた。現代では、磁石や磁気現象は多くの機器で利用されている。

磁石

磁石にはN極とS極という2種の磁荷がある。これらの磁極は単独で存在することはなく、必ず両極が一緒になって磁石を構成する。 詳しくは

これまでのところ、磁荷は電荷とことなり、Ｎ極だけの磁荷やＳ極だけの磁荷は発見されていない。そこで、現在は単磁極は存在しないという仮説のもとで理論が作られている。

磁荷のクーロン則

磁荷のあいだにも、電荷と同じ形式の力が働く。

磁荷の単位

真空中の磁荷A,Bの距離が1mのときに、6.3 \times 10^4[N] の力が生じ、かつ、A,Bの大きさが等しい時の磁荷の大きさを1Wb（１ウェーバ）ときめる。

磁界と磁力線

電荷の場合と全く同じように、磁荷の間の力を近接作用としてとらえる。すると、磁荷によって周りの空間は磁気的に歪み（磁界あるいは磁場という）、ここに他の磁荷を置くと、その点の磁界によって力を受けると考えられる。各点における磁界Ｈは、その点に1WbのN極を置いたときに受ける磁気力で定義する。従って、磁界の単位は[N/Wb] となる。
●　磁力線：N極の磁荷を正の電荷に対応させると、電界に対応して電気力線を考えたように、磁界にたいして磁力線を考えることができる。

CAIテスト

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