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English

導体と不導体の違いと静電誘導・誘電分極

静電気的につり合った導体の内部では、電場がちょうど になります[1]。近くにどれだけ強い電場があっても、中まで入ってきません。

不導体では になりません。弱まるだけで、残ります。この差は、電子が動けるかどうかから出ています。

自由電子が打ち消す

金属には自由に動ける電子があります。外から電場をかけると、電子が力を受けて動く。

移動した電子は片側に集まり、反対側には正の電荷が残ります。この 2 つが内部に逆向きの電場をつくり、外の電場を打ち消していく。

打ち消しが完全になるまで電子は動き続けます。止まるのは、内部の電場がちょうど になったとき。だから静止した状態では必ず です[2]

電荷は表面にしか残れない

導体の内部に、表面をふくまないガウス面をとります。内部の電場が なので、面を貫く量も

囲んだ電荷が という結論になります[2]。面はどんな形でも、どこにとってもよいので、内部のどこにも電荷はありません。

与えた電荷はすべて表面に出ます。同符号の電荷どうしが反発して、行けるところまで行った結果とも読めます。

表面のすぐ外は

導体の表面のすぐ外側では、電場が面に垂直で、大きさは面電荷密度で決まります[1]

導出は、表面をはさむ薄い円筒です。内側のふたは導体のなかにあるので 、側面は電場と平行で寄与しません。外側のふただけが残る。

薄い帯電板の と混ざりやすいところ。導体では内側へ出る電場がないので、外側だけに 倍が寄ります。

電場が表面に垂直になるのは、平行な成分があると電子が動いてしまうためです。動かなくなった状態が静電気的なつり合い。

表面に沿った成分が残っているかぎり、電子はその向きへ流れ続ける。止まったということは、その成分が消えたということ。

不導体は弱めるだけ

不導体では電子が原子から離れられません。動くのは向きだけで、分子が電場の向きにそろいます。

そろった結果、表面に電荷が現れます。この電荷が元の電場を打ち消す向きにはたらくので、内部の電場は弱まる。

は比誘電率で、 より大きい値です[3] が有限なので、割っても にはなりません。導体は が無限大の極限にあたる、という見方もできます。

静電遮蔽

導体で囲むと、その内側は外の電場から守られます[2]。囲いのなかに電荷がなければ、空洞のなかの電場も

雷が落ちても車のなかが安全なのは、この効果です。電流は金属の車体を通って地面へ流れ、なかには入ってきません。

同軸ケーブルの外側の網も同じ役割をしています。信号を外へもらさず、外からの雑音も入れない。

とがったところに集まる

導体の表面で電荷は一様には並びません。曲率の大きい、とがった場所ほど密に集まります。

なので、そこでは電場も強くなる。空気が絶縁を保てなくなると放電が起きます。避雷針の先がとがっているのは、この集まりを利用するためです。

例 1:帯電した導体球

半径 の金属球に を与えます。内部の電場は です。

外側の では、中心に点電荷があるのと同じになります。

表面ちょうどでは 。表面をまたいだところで、 から急に立ち上がります。

例 2:表面の電荷密度から出す

面電荷密度が の導体表面のすぐ外を調べます。

同じ密度の薄い帯電板なら で、ちょうど半分です。導体では内側に電場が出ないぶん、外側が 2 倍になります。

例 3:空洞のある導体

中空の金属球に を与えます。空洞のなかに電荷を置かなければ、空洞内の電場は

内壁にも電荷は現れません。空洞をぐるりと囲むガウス面をとると、囲む電荷が になるためです。 はすべて外壁に出ます。

空洞のなかに を置くと話が変わり、内壁に 、外壁に が現れます。

例 4:不導体を入れる

の電場のなかへ、 の板を入れます。

5 分の 1 に弱まりますが、 にはなりません。導体を入れれば、同じ位置で になります。

例 5:避雷針の先

先端の曲率半径が の針が、 を集めたとします。先端付近を半径 の球で近似します。

空気の絶縁が破れる目安は ほどです。とがった先では、はるかに小さい電荷でもこの値を超えます。

例 6:手を近づける

帯電していない金属板に、正に帯電した棒を近づけます。板の手前側に負の電荷、奥側に正の電荷が現れます。

板全体の電荷は のままです。位置が偏っただけ。棒を遠ざければ元に戻り、この状態を静電誘導と呼びます。

奥側を指で触れてから棒を遠ざけると、正の電荷だけが逃げて板が負に帯電します。触れる順番で結果が変わる。

静電気的につり合った導体の内部について、正しいものはどれですか。

  • 電場は弱まるが 0 にはならない
  • 電場は 0 で、電荷は表面にだけある
  • 電荷は内部に一様に広がっている
__RESULT__

自由電子が動いて内部の電場を打ち消し、 になったところで止まります。内部にガウス面をとると囲む電荷も なので、電荷は表面にしか残れません。弱まるだけで残るのは不導体のほうです。

並べて見る

見るところ導体不導体
内部の電場0
電荷の居場所表面だけ全体に分布したまま
起きること自由電子が移動分子が向きをそろえる
外から見ると遮蔽する弱めるだけ

分かれ目は、電荷が長い距離を動けるかどうかです。動ければ打ち消しきるまで動き、動けなければ向きをそろえるところで止まる。

同じ「電場を弱める」という現象でも、行き着く先が か、 かで扱いが変わります。導体は を無限大にした極限、と見ておくと 2 つが 1 本につながる。

参考文献

Théorème de Coulomb(導体表面のごく近くの電場). Université en Ligne, Unisciel(フランス語).
Conducteurs en équilibre, condensateurs. Physagreg(フランス語).
8.5: Capacitor with a Dielectric/University_Physics_II_-_Thermodynamics_Electricity_and_Magnetism_(OpenStax)/08%3A_Capacitance/8.05%3A_Capacitor_with_a_Dielectric). Physics LibreTexts, OpenStax University Physics Volume 2.
金属の内部では電場がちょうど 0 になります。自由電子が動いて外の電場を打ち消し、打ち消しきったところで止まるため。不導体では電子が原子から離れられないので、向きがそろうだけで $E_0/\kappa$ が残ります。内部が 0 だとガウス面が囲む電荷も 0 になり、与えた電荷は表面にしか残れない。表面のすぐ外は $\sigma/\varepsilon_0$ で、薄い帯電板の $\sigma/(2\varepsilon_0)$ の 2 倍になります。内側へ出る電場がないぶんが外へ寄るため。雷のとき車のなかが安全な理由や、避雷針の先がとがっている理由も同じ話につながります。