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電場と電気力線 - 点電荷と極板のまわりの強さ

電荷 から 離れた点に、 を置くと の力を受けたとします。同じ点へ を置けば 、 なら 。

置いた電荷を替えるたびに力は変わりますが、力を電荷で割った値は変わりません。割った先に残るのは、その点そのものの性質です。

置く前から決まっている

電場は、その点へ を置いたときに何ニュートンの力を受けるか、という量です。単位は で、 とも書きます。

大事なのは、 を置く前から が決まっている点です。 を 2 倍にすれば力も 2 倍になりますが、割り算をした は動かない。

こう書き直すと、力は電場に電荷をかけたものになります。電場を先に求めておけば、あとはどんな電荷を置いてもかけ算で済む。

点電荷がつくる電場

静電気力の式 を で割ります。

はクーロン定数で です。距離の 2 乗に反比例し、正電荷なら外向き、負電荷なら内向き。 の符号がそのまま向きになります。

電気力線を数える

電場は矢印の集まりですが、線としてつなぐと形が見えます。ここで線の本数を決めておくと、強さまで数えられる。

電荷 から出る線の総数を、次のように約束します。

この決め方をすると、電場が単位面積あたりの本数と一致します。半径 の球面を貫く本数は で、球の表面積は 。

割り算だけで点電荷の式に戻りました。本数の決め方は、この計算が合うように選んであります。

線の本数は途中で増えも減りもしません。減るのは密度だけで、球の面積が で広がるぶん、電場が で落ちる。

極板では距離が消える

広い極板に電荷 を一様にのせます。出る線は 本で、これが表と裏へ半分ずつ分かれる。

面積 の板の片側には 本が の広さに散らばります。

距離 が式に入っていません。板から出た線は平行に進むため、離れても広がらない。球面のように面積が増えないので、密度が落ちる理由がなくなります。

正負 2 枚の板を向かい合わせると、内側では 2 枚ぶんが重なって になります。外側では向きが逆になり、打ち消し合う。

点電荷のまわり

線が球面へ散らばる。面積が で増え、電場は で落ちる

広い極板の前

線が平行に進む。切り口の面積が増えないため、電場は距離によらない

例:点電荷のつくる電場

から 離れた点を調べます。

例:置いた電荷が受ける力

同じ点へ を置きます。 にかけるだけ。

置く電荷を に替えれば になります。 のほうは のまま動きません。

例:本数から確かめる

同じ から出る電気力線の本数を数えます。

半径 の球の表面積は です。本数を面積で割ります。

前の例と同じ値になりました。 が丸めた値のため、桁を増やすと末尾はわずかにずれます。

例:極板の前の電場

面積 の板に をのせます。

板から でも でも、この値は変わりません。点電荷なら 倍離した時点で 分の に落ちている。

電荷から出る本数を Q/ε0 と決める

その本数が散らばる面の広さを考える

本数を面積で割ると電場になる

点電荷から だけ離れた点の電場が でした。距離を にすると電場はどうなりますか。

__RESULT__

球の表面積が で、距離を 3 倍にすると面積は 9 倍になります。同じ本数が 9 倍の広さへ散らばるため、密度は 9 分の 1。 という答えは、面積が距離に比例すると見た場合のものです。

広い極板の前で、板からの距離を 2 倍にしました。電場はどうなりますか。

  • 変わらない
  • 半分になる
  • 4 分の 1 になる
__RESULT__

板から出た線は平行に進むため、どこで切っても同じ本数が同じ幅に収まります。面積が増えないので密度も落ちません。半分や 4 分の 1 という答えは、線が広がる形の場合のものです。

電場を求める手順は、どの配置でも同じです。電荷から出る本数を決め、その本数が散らばる面の広さを見て、割る。面が球なら 、平面なら距離によらない値になります。

静電気力 $F=k_0Qq/r^2$ には置いた電荷 $q$ が入っているため、$q$ を替えるたびに計算し直すことになります。そこで $q$ で割ってしまう。残った $E=F/q$ が電場で、電荷を置く前から空間の側に決まっている量。点電荷なら $E=k_0Q/r^2$ で距離の 2 乗に反比例し、広い極板なら $Q/(2\varepsilon_0 S)$ と距離によらず一定になる。この違いを決めているのは電気力線の散らばり方です。球面は面積が 2 乗で増え、平面から出た線は平行に進んで広がらない。本数を面積で割るという一手で、どちらの配置も同じ手順。式から求めた値と本数から求めた値がそろうところまで、数値を入れて確かめました。