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物理学（電磁気学）

物理学（電磁気学）. 第１回 電荷とクーロンの法則. 電気とは. イメージング 「電気」という言葉から連想する言葉をできるだけ挙げてみよう ３ 人１組 制限時間３分間 一番多く挙げられたチームに得点. 静電気の実験. 用意するもの 細長い風船 マフラーなど乾いた布 セロハンテープ ティッシュペーパー ポリプロピレンのビニールひも. なぜ？. なぜ、ティッシュと風船は互いに引きつけ合ったのか？（ 引力 がはたらいたのか？） なぜ、ビニールくらげと風船は互いに反発し合ったのか？（ 斥力 がはたらいたのか？）. 理由（その１）.

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物理学（電磁気学）

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Presentation Transcript

  1. 物理学（電磁気学） 第１回電荷とクーロンの法則

  2. 電気とは • イメージング • 「電気」という言葉から連想する言葉をできるだけ挙げてみよう • ３人１組 • 制限時間３分間 • 一番多く挙げられたチームに得点

  3. 静電気の実験 • 用意するもの • 細長い風船 • マフラーなど乾いた布 • セロハンテープ • ティッシュペーパー • ポリプロピレンのビニールひも

  4. なぜ？ • なぜ、ティッシュと風船は互いに引きつけ合ったのか？（引力がはたらいたのか？） • なぜ、ビニールくらげと風船は互いに反発し合ったのか？（斥力がはたらいたのか？）

  5. 理由（その１） • マフラーで風船をこすると、風船はマイナスの　　　　静電気を帯びる（マイナスに帯電する） • マフラーでビニールひもをこすると、ビニールひもはマイナスの静電気を帯びる（マイナスに帯電する） • マイナスの静電気の同士は反発しあうので、ビニールくらげと風船は互いに反発しあう

  6. 理由（その２） • マフラーで風船をこすると、風船はマイナスに帯電する • マイナスに帯電した風船をティッシュに近づけると、ティッシュはプラスに帯電する • マイナスの静電気とプラスの静電気は互いに　　　　　　引きあうので、ティッシュと風船は互いに引きあう

  7. ポイント • マイナスの静電気同士（もしくは、プラスの静電気同士）は互いに反発しあう ⇔マイナスの静電気同士（もしくは、プラスの静電気同士）の間には斥力がはたらく • マイナスの静電気とプラスの静電気は互いに引きあう ⇔マイナスの静電気とプラスの静電気の間には引力がはたらく

  8. 原子スケールの物理 • 静電気の正体は？？ → 原子の大きさレベルのスケールを考える • 原子は、原子核と電子でできている • 原子核はプラスの電荷をもつ • 電子はマイナスの電荷をもつ ※ 電荷をもつ粒子のことを　 　　荷電粒子という　

  9. 原子スケールの物理 • 原子核は、陽子と中性子でできている • 陽子はプラスの電荷をもつ • 中性子は電気的に中性 → 原子核はプラスの電荷をもつ

  10. 電荷の大きさ • 電子と陽子が持つ電荷の大きさ（絶対値）は同じ • 電子１つがもつ電荷の大きさ • e：電気素量、単位：C（クーロン） • 帯電した物質は、eの整数倍の不連続な値の電荷しかもてない • 通常、物質中の陽子と電子の数は同じ → 通常、物質は電気的に中性

  11. 静電気の正体 • 静電気の担い手: 電子（マイナスの電荷をもつ） • 通常の状態　⇔ 電気的に中性な状態 • 電子がたくさんある状態 　　　　　　　　　　⇔マイナスに帯電した状態 • 電子が不足している状態 ⇔プラスに帯電した状態

  12. 静電気が起こる理由 • 摩擦 マフラーで風船をこすると、マフラーから風船に電子が移動する • 誘電分極　 マイナスに帯電した風船をティッシュに近づけると、ティッシュ分子の電荷に偏りが生じる（風船側がプラス、机側がマイナス）

  13. 電子の放出のしやすさ • 電子を放出しやすい • 毛皮 • ガラス • 綿 • 紙 • 絹 • 皮膚 • ゴム • エボナイト • セルロイド • 電子を受け取りやすい

  14. 電荷の保存則 • 電子の移動によって、電荷の移動が起こる ↓ • ある電気現象によって個々の物質の電荷が変化しても、その現象に関与した物質全体の電荷の総和は変化しない（電荷の保存則） 例： • 風船中の電子が１つ増える→ 電荷は　-1 • マフラー中の電子が１つ減る　 → 電荷は　+1 • 物体全体の電荷の総和は変化しない

  15. 荷電粒子の間に働く電気力 • クーロンの法則 荷電粒子の間にはたらく力の大きさ f は： • それぞれの荷電粒子がもつ電荷qの積に比例する • 荷電粒子間の距離rの２乗に反比例する ※　∝：「比例する」という数学記号

  16. 　電気力のグラフ • 具体的な数値を代入してグラフを書いてみよう.

  17. 荷電粒子の間に働く電気力 • 荷電粒子の間にはたらく力 f の向き： • 電荷が異符号のとき（q1q2<0, fの値も負） • ２つの荷電粒子を結ぶ直線上 • 互いに向き合う方向の力（引力）がはたらく 負の電荷 正の電荷

  18. 荷電粒子の間に働く電気力 • 荷電粒子の間にはたらく力 f の向き： • 電荷が同符号のとき（q1q2>0, fの値も正） • ２つの荷電粒子を結ぶ直線上 • 互いに遠ざけ合う方向の力（斥力）がはたらく 負の電荷 負の電荷

  19. 荷電粒子の間に働く電気力 • 荷電粒子の間にはたらく力 f の向き： • ２つ以上の荷電粒子から電気力を受ける場合 • １つ１つの荷電粒子から受ける力のベクトル和 負 負 負

  20. 荷電粒子の間に働く電気力 • 比例係数：　MKSA単位系の場合 • ε0 ：真空中の誘電率 • 物質中での誘電率εはε0 よりも必ず大きい

  21. MKSA単位系 • 長さ ：　メートル（m） • 質量：　キログラム（kg） • 時間：　秒（s） • 電流：　アンペア（A） • 電荷の単位：　クーロン（C） 1Aの電流が１秒間に運ぶ電荷の量

  22. 万有引力の法則との比較 • 万有引力の法則 • f : 万有引力 • m：　質量 • 万有引力定数 • クーロンの法則 • f ：　電気力 • q：　電荷 • 真空の誘電率 • ともに r2 に反比例する • 人間が生活するスケールで、電気力は重力のおよそ104倍強い • 電気力は負の値をとるが、重力は正の値しかとらない • （電気力は引力・斥力ともにあるが、重力は引力しかない）

  23. 練習問題 • 問題１ 水素原子は, 陽子とその周りを半径0.53×10-10[m]の 円運動をしている電子からなる. 陽子と電子間に働く 電気力は引力・斥力のうち、どちらか. またその力の 大きさはいくらか. 有効数字２ケタで求めよ.

  24. 練習問題 • 問題１（解答） クーロンの法則より さらに 電子と陽子の電荷の大きさは e であるから を代入すると

  25. 練習問題 • 問題２ 　　　真空中において、電荷-1をもった小球A, B, および電荷+1をもった小球Cが, AB間, BC間, AC間の距離がともに1[m]となるように置かれている. このとき, 小球Aが受ける電気力の大きさを求めよ. またその方向を図示せよ. B A C

  26. 練習問題 • 問題２（解答） B A C 図より

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