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電場が 0 になる点、同符号なら内側で異符号なら外側

と を 離して置きます。あいだで電場が になるのは、小さいほうから の点です。

で分けた ではありません。効いてくるのは平方根をとった のほうです。

分母が なので、距離を縮める効果が電荷の大きさより速く育ちます。その差が内分の比に出てきます。

電場も 1 個ずつ出して足す

点電荷が作る電場の大きさは、電荷を距離の 2 乗で割った形です[1]。

電荷が 2 個あれば、それぞれが作る電場をベクトルとして足す。これも重ね合わせです[2]。

向きは、正電荷なら電荷から遠ざかる向き、負電荷なら電荷へ向かう向き。一直線上の問題では、左右のどちらかにしかなりません。

打ち消し合うのは、2 本が逆を向いていて、大きさもそろったときだけです。

外側では、2 本の矢印がそろって同じ向きを指します。大きさが違っても足し算にしかならない。

あいだに入ったときだけ、矢印は逆を向きます。だから消える点は必ず内側の 1 点です。

平方根の比で内分する

から 、 から の点で釣り合う条件を書きます。

両辺の平方根をとると、比の形になります。

距離の比は、電荷の比ではなく電荷の平方根の比。ここをとり違えると答えが合いません。

電荷の平方根を並べる

その比で 2 電荷の間隔を内分する

小さいほうの電荷に近い側が答え

例:4 と 9 を 0.50 m 離す

です。 を に分ければ と 。

確かめます。左の電荷が作る電場は次のとおり。

そろいました。向きは、左の電荷からは右へ、右の電荷からは左へ。合成すると です。

で分けた で試すと、左からは 、右からは 。まったく釣り合いません。

例:等しい 2 電荷ならまん中

なので、消える点は中点です。

大きさが同じなら、位置の対称性からも同じ結論が出ます。計算する前に答えが見える配置。

比が から離れるほど、消える点は小さい電荷のほうへ寄ります。 なら平方根は で、間隔の の位置。

グラフは左の電荷のそばで大きく正、右の電荷のそばで大きく負。連続に減っていくので、途中で を横切る点がちょうど 1 つあります。

異符号なら外側に出る

符号が違うと、話がひっくり返ります。

あいだの点では、正電荷からは遠ざかる向き、負電荷へは近づく向き。どちらも同じ側を指すので、内側に消える点はありません。

消えるとしたら外側です。しかも、電荷の小さいほうの外側に限られる。

同符号

内側にちょうど 1 点。平方根の比で内分した位置

異符号で大きさが違う

外側に 1 点。小さいほうの電荷の側にできる

異符号で大きさが等しい

有限のどこにもない。無限に遠ざかって初めて に近づく

大きいほうの外側に出ない理由は、距離でも電荷でも大きいほうが勝ってしまうから。逆転する余地がありません。

例: と

に 、 に を置きます。

平方根の比は 。距離の比が になる点を、小さいほうの外側で探します。

とし、正電荷までの距離を とすると、負電荷までは 。

です。値も見ておきます。

正電荷からは左向き、負電荷へは右向き。大きさがそろって打ち消し合います。

電場が消えても電位は消えない

同じ配置で電位が になる点を探すと、まったく別の場所が出てきます。

電位は向きを持たない量なので、符号つきでそのまま足す[3]。、つまり が条件です。

あいだで解くと 、左の外側で解くと 。 と の 2 点でした。

電場が になる点

の 1 点だけ。距離の 2 乗で釣り合う

電位が になる点

と の 2 点。距離そのもので釣り合う

条件式の分母が か かの違いだけで、答えの位置も個数も変わりました。

電場が でも、そこに置いた電荷は 位置エネルギーを持つ。

力を受けないことと、エネルギーが であることは別。 での電位は になりません。

検算のしかた

答えが出たら、その位置を 2 つの電場の式に戻して値がそろうかを見ます。比だけで進めると、どちらの側かを間違えても気づきません。

もう 1 つは範囲の確認。同符号なら 、異符号なら区間の外にあるはずです。この向きの条件から外れた答えは、平方根をとるときに符号を落としています。

電荷の比でそのまま内分する。平方根をとるのを忘れています。
異符号なのに、あいだを探す。あいだでは向きがそろうので消えません。
異符号で、大きいほうの外側を答える。小さいほうの側です。
大きさの等しい異符号で、まん中と答える。そこは電場が最大の点です。
電場が の点と電位が の点を同じ場所だと考える。

大きさの等しい異符号は間違いやすい配置です。中点では 2 本がそろって同じ向きになり、そのあたりが最も強くなります。

に 、 に を置きます。電場が になる位置はどこですか。

__RESULT__

平方根の比は なので、 を に分けて です。 は電荷の比 で分けた値、 は中点にあたります。

平方根をとって内分する。同符号なら内側、異符号なら小さいほうの外側。この 3 つを押さえれば、配置が変わっても迷わずに済みます。

出典

Calculating Electric Fields of Charge Distributions/University_Physics_II_-_Thermodynamics_Electricity_and_Magnetism_(OpenStax)/05%3A_Electric_Charges_and_Fields/5.06%3A_Calculating_Electric_Fields_of_Charge_Distributions). Physics LibreTexts.
Andreas Wipf. *Elektrodynamik*, Kapitel 2: Einführung in die Elektrostatik. Theoretisch-Physikalisches Institut, Universität Jena.
Étienne Thibierge. *Potentiel électrostatique, condensateur*. Cours 13, PT, Lycée Blaise Pascal.
$+4.0\ \mu\mathrm{C}$ と $+9.0\ \mu\mathrm{C}$ を $0.50\ \mathrm{m}$ 離すと、電場が消える点は $0.15\ \mathrm{m}$ ではなく $0.20\ \mathrm{m}$。分母が $r^2$ なので、電荷の比ではなく平方根の比が効きます。同符号ならあいだにちょうど 1 点、異符号なら小さいほうの電荷の外側に 1 点。大きさの等しい異符号では、有限のどこにも現れない。電場が $0$ の点と電位が $0$ の点がまったく別の場所になることも、$+2.0\ \mu\mathrm{C}$ と $-8.0\ \mu\mathrm{C}$ の配置で比べます。