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静電気の基礎 クーロンの法則 電荷による電界と電束の考え方

電子と電荷,陽子と電荷 電気の基礎

電荷とは?

電荷とは、物質が帯びる電気の性質です。電荷には正(プラス)と負(マイナス)の2種類があります。電子は負(マイナス)の電荷を持ち、陽子は正(プラス)の電荷を帯びています。

電子の中の電荷,陽子の中の電荷
電子の中の電荷 = -1.602×10₋19 [C]クーロン
陽子の中の電荷 = +1.602×10₋19 [C]クーロン

電荷と電界の関係

電場とは、電荷のエネルギーが周囲に拡散したものです。磁石から出る磁力のように、周りに見えない力の場ができて、他の電荷に力を及ぼします。 
電気力線は、電場を視覚的に表すためのものです。これにより電場の強さが視覚的にわかるようになります。 電気力線は、プラス電荷から出てマイナス電荷に向かっていきます。
電場と電気力線の関係
電気力線の密度が高いところほど電場が強くなります。左の図でいうと、色の濃いところほど電場が強くなります。 右図では、線が密集しているところほど電場が強くなります。

電気力線と電束の関係

電荷からは、電荷の値と同じ数の電束がでており、電束は周囲の誘電率の影響で本数が減少し、電気力線となります。
電束と電気力線の関係


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クーロンの法則

点電荷から出る電気力線の数は、電荷/誘電率で求められます。
中心からr[m]の電界の強さ(電気力線密度)は、電気力線を中心r[m]の球体の表面積で割った値になります。 ※半径r[m]の球体の表面積 4πr2 
電界の公式,電気力線密度,
異なる極ののプラスとマイナス電荷は引き合い、同極の電荷は反発しあう性質がありす
その時の電荷同士に働く力を 静電力といいます。
電荷と静電力の関係

静電力の大きさ

静電力(吸引力or反発力)は Q1の電界(E1) に Q2の電荷 を掛け合わせたものです。
Q1の電界は、中心から遠ざかるほど弱くなりQ2との静電力が弱まります。
磁石の磁力が遠くなるほど弱くなるイメージです。
電荷同士の静電力を求める式
静電力を求める式
静電力の公式
例題①
Aの導体球に 4×10—6 [C]、Bの導体球に 8×10—6 [C]を与えた。AB間の距離が2mの時にAB間に働く力と力の向きを求めよ。 
※空間は真空であり、真空の誘電率は8.854×10—12 とする。
電荷同士の静電力を求める
電荷同士の静電力を求める

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