【9】電場と電位【物理解説】

電荷の電場と電位物理

この記事では、物理「電場と電位」の解説をしていきます。

この項のポイントは以下の3つです。

  • クーロンの法則:電荷と電荷の間にはたらく力の大きさ
  • 電場:向き・大きさ・静電気力
  • 電位:静電気力と電荷で分けて覚える

今回から、電磁気の分野に入ります。

物理の中でもボリュームがあり難度も高いので、物理基礎で電気が得意だった人も失速するかもしれません。

しかし、頻出分野なのでそうは言ってられない。絶対に押さえておきたい内容です。

それでは、解説していきます。

クーロンの法則

まずは電荷に働く力であるクーロン力(静電気力)について見ていきます。

公式を覚えるだけで難しくないので、落とさないように!

クーロンの法則は「電荷と電荷の間にはたらく力の大きさ」の公式で、以下のようなもの。

クーロンの法則

同じ符号の電荷の間には斥力(反発する力)、異符号の間合いは引力(引き合う力)です。

万有引力の法則に似ていることに気がつきましたか?

万有引力の法則は、質量が負の値を取らないので斥力は生じないところが、違いますね。

電場

次は電場について見ていきます。

電場、電流、電圧など似たような言葉が多いですが、整理して覚えていきましょう。

電場とは、電荷と電荷の間にはらたく力のこと。離れていてもはたらく力ってところが不思議ですね。

正電荷と負電荷はお互いに引力がはたらきますね。つまり、この引力のことですね。

正電荷と正電荷、もしくは負電荷と負電荷だったら斥力になります。

次は、電場の性質を3つ見ていきます。

電荷の電場

電場の向き、電場の大きさ、静電気力の3つを覚えておいてください。

電位

次は電位について見ていきます。

物理基礎でも電位という言葉は出てきましたが、あの時は電気回路の電位でしたね。

今回は電荷における電位を見ていくので、前の電位に引っ張られないように覚えていきましょう。

静電気力による位置エネルギー

上で紹介したクーロン力(静電気力)は保存力です。ということは、位置エネルギーが存在しますね。

物体が重力の方向に引っ張られるように、電荷も電場の向きに引っ張られる(押される)のはイメージしやすいと思います。

ただ、重力と違って、下のように電荷の動きは異なることに注意してくださいね。

  • 電荷の電気量 q 0:電場と同じ向き
  • 電荷の電気量 q 0:電場と逆向き

そして、位置エネルギーですが、重力による位置エネルギーとそっくりなので、見ていきましょう。

位置エネルギー

一様な電場での位置エネルギーはU = qEdと分かりました。

簡単!って思うかもしれませんが、ちょっと注意点。

電場は重力のように一様ではありません。
電荷の符号や距離によって、電場Eは向きや大きさが変化します。

そこで、U = qEdの「Ed」に注目します。
qは電荷の大きさなので変化しないとして、場所によって変化する可能性があるEとdを一緒に見るんです。

Edが大きければ位置エネルギーUも確実に大きいし、逆も言えます。

ここで、Edを電位V〔V〕(単位:ボルト)を使って、以下のようにします。

V = Ed

これをU = qEdに代入して、

U = qV

となります。電位Vの場所に置かれた電荷(q〔C〕)の位置エネルギーはU〔J〕ということですね。

q = +1のとき、U = Vになるので、「電位=1Cの電荷の位置エネルギー」とも言えます。

点電荷による位置エネルギー

静電気力では「一様な電場」での電位について見てきましたが、点電荷による電位についても見ていきます。

点電荷のによる電場は、場所によって静電気力の大きさが違って扱い方も変わります。

イメージとしては、以下の通り。

位置エネルギー

考え方は万有引力による位置エネルギーを算出した時と同じです。

点電荷による位置エネルギーはU = kQq / r(k:クーロン力)となります。

q が+1のときの位置エネルギーを考えると、点電荷の作る電位は、V = kQ / rと言えますね。

まとめ

電場と電位について理解できましたか?

ポイントをまとめますね。

  • クーロンの法則:電荷と電荷の間にはたらく力の大きさ
  • 電場:向き・大きさ・静電気力
  • 電位:静電気力と電荷で分けて覚える

電場と点電荷について詳しく見ていきました。

物理の電気は、物理基礎より大きく難易度が上がっていて非常に難しいです。

ゆっくりじっくり理解して、次に進みましょう!

コメント

タイトルとURLをコピーしました