電荷とその特性

物理学の分野では、電荷は物質の基本的な特性であり、電場に置かれたときにそれに力を及ぼす原因となると説明することができます。電荷を理解することは、電気がどのように機能し、磁性とどのように相互作用するかを説明するために不可欠です。

電荷とは何か？

電荷は物質の粒子に見られる特性です。最もよく知られている荷電粒子は電子と陽子です。電子は負の電荷を帯びており、陽子は正の電荷を帯びています。原子の中では、これらの電荷は中和され、中性の状態になりますが、電子が移動したり、原子から取り除かれたりすると、不均衡が生じ、電荷が生じます。この電荷が荷電粒子間に作用する電気力の原因です。

原子の図

この簡略化された図は、原子核内の陽子の正電荷と電子の負電荷を示しています。

電荷の単位

国際単位系（SI）における電荷の単位はクーロン（C）です。電荷は通常、eで示される素電荷と呼ばれる小さな単位で表現することもできます。1素電荷は約1.6 × 10 -19 Cです。陽子の電荷は+1eで、電子の電荷は-1eです。

電荷の特性

電荷の特性は以下のようにまとめられます：

1. 電荷の量子化

システムの総電荷Qは常に素電荷eの整数倍です。したがって、電荷は量子化されていると言われています。これは、電荷にeの一部が存在することはないことを意味します。数学的には次のように表現できます：

Q = n × e

ここでnは整数です。

2. 電荷の保存

どのような物理過程でも、総電荷は一定しています。これが電荷の保存則として知られています。電荷は移動したり、正から負に変化したりすることはあり得ますが、反応の前後で総電荷は常に同じです。

3. 電荷の加法性

異なる電荷を組み合わせると、総電荷は個々の電荷の単純な和になります。例えば、+2 Cの電荷と-1 Cの電荷がある場合、結果の電荷は+1 Cになります。

電荷間の相互作用

電荷は互いに相互作用し、力を及ぼすことができます。相互作用の種類は関与する電荷のタイプに依存します：

1. 同符号の電荷は反発する

2つの電荷が両方とも正または負である場合、それらは互いに反発します。これは、それらがお互いに押し合うことを意味します。以下のように想像できます：

この図は、2つの正電荷が互いに反発していることを示しています。

2. 異符号の電荷は引き寄せ合う

1つの電荷が正で、もう1つの電荷が負の場合、それらは互いに引き寄せ合います。つまり、磁石のように引き寄せ合います。

これは、正電荷と負電荷が互いに引き寄せ合っていることを示しています。

クーロンの法則

2つの点電荷間の引力または反発力はクーロンの法則によって与えられ、力Fは電荷の積に比例し、電荷間の距離rの2乗に反比例します。数学的には次のように表現できます：

F = k × |q₁ × q₂| / r²

ここで：

• Fは電荷間の力（ニュートン、N）
• kはクーロン定数で、約8.99 × 10 9 N·m²/C²
• q₁とq₂は電荷の量（クーロン、C）
• rは2つの電荷の中心間の距離（メートル、m）

例題

2つの電荷q₁ = +3 Cとq₂ = -2 Cが2 m離れているとします。

それらの間の力を求めるには：

F = 8.99 × 10⁹ × |(+3) × (-2)| / (2)² = 8.99 × 10⁹ × 6 / 4 = 13.485 × 10⁹ / 4 = 3.37125 × 10⁹ N

力3.37125 × 10⁹ Nは、異符号の電荷が互いに引き寄せ合うように向けられます。

誘導による充電

電荷はある物体から別の物体に移すことができ、その一般的な方法の1つは誘導です。これは、荷電物体を中性の物体の近くに持ってくることで、中性物体内に正と負の電荷の領域が形成されることを含みます。

誘導による充電のステップ

負に帯電した棒が中性の金属球の近くに持ち込まれたと考えます：

1. 棒の負電荷は球内の電子を反発させます。これにより、棒に最も近い部分に正電荷が、反対側に負電荷が生成されます。
2. 球がしばらく接地されると（電荷の流れを許す導体に接続されると）、電子の一部が流出し、球は正に帯電します。
3. 接地とその後の棒を取り除いた後、球は全体的に正電荷を帯びたままになります。

電荷の応用

電荷は日常生活や技術で多くの応用があります。ここにいくつかの例を示します：

1. 静電気

風船を髪でこすったとき、電子が髪から風船に移り、風船に負の電荷を与えます。この負電荷により、風船はしばらくの間壁にくっつくことができます。

2. 電気器具

導体を通る荷電粒子の流動（通常は電子）は電流を生成します。これは、電球からコンピュータまでのほとんどの電気装置を作動させるための基礎です。

3. コンデンサ

コンデンサは、絶縁体で分離された2枚の導電板によって作成された電場に電気エネルギーを蓄える装置です。電子回路で重要な役割を果たします。

コンデンサのシンボル

4. エレクトロスコープ

エレクトロスコープは電荷の存在と大きさを検出できます。金属棒に2枚の薄い金属板が接続されたものから成ります。帯電物体が金属棒に触れると、板が反発して離れます。

結論

電荷は電気と磁性の相互作用を理解する上で基本的な概念です。その量子化、保存、加法性の特性は、物質の構造を支え、無数の方法で私たちの世界に力を与えます。日常の静電気から複雑な電気回路に至るまで、電荷の流れと相互作用は現代技術の機能にとって不可欠です。

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