接触、摩擦、誘導による帯電方法
この授業では、帯電の三つの方法（接触、摩擦、誘導）を確認します。物質の原子構造を導入し、導体と絶縁体の区別を行います。物体がこれらの方法によって電荷を得たり失ったりする仕組みを説明し、誘導では関与する物体間に直接接触が必要ないことを強調します。
学習目標:
この授業の終了時に学生は次のことができるようになります。
導体と絶縁体
原子 は物質の内部構造を構成し、陽子、中性子、電子という三種類の粒子から成り立っています。陽子と中性子は原子核を形成し「核子」と呼ばれます。一方、電子は外側の層に配置され、「軌道雲」のように存在します。核子は核力によって結合しており、放射性崩壊を経る非常に大きな原子を除いて、容易に失われたり得られたりすることはありません。対照的に、最外殻電子は原子の電子配置に応じて、移動の自由度が大きい場合も小さい場合もあります。
以上に基づき、物理的対象は導体と絶縁体という二つの対照的な種類に分類できます。導体は電子を容易に獲得・放出できる材料であるのに対し、絶縁体は電子の交換に抵抗する傾向があります。
導体も絶縁体も電子を失ったり得たりする能力を持っていますが、本質的な違いは、電子がその物質の原子に捕らえられた後の移動性にあります。例えば、ほとんどの金属では電子が自由に移動でき、「電流」を形成することが可能です。これに対して、ゴムのような材料では電荷を帯びることはあっても、その電荷が物質内部を移動することは困難です。
帯電
帯電 とは、電荷を得たり失ったりする現象を指します。以下に、この現象が生じる過程を説明します。
接触による帯電
接触による帯電 とは、すでに帯電している物体と接触させることで他の物体を帯電させることを意味します。このとき、両方の物体の間で電子が再分配され、それぞれの電荷が平衡に達します。この過程が成立するためには、両方の物体が導体であることが不可欠です。そうでなければ、電荷は自由に再分配されず、帯電は生じません。
以下に、接触による帯電の重要な点をまとめた表を示します。
| 初期の電荷状態 | 接触の過程 | 最終的な電荷状態 | 観察 | ||
| (+) | Neutro | \left. \right> | (+) | (+) | 正の電荷が二つの物体に分配される |
| (+) | (-) | \left. \right> | (+) | (+) | 電荷が打ち消され、支配的な電荷が残る |
| (+) | (-) | \left. \right> | Neutro | Neutro | 等しい大きさで反対の電荷が打ち消し合う |
| (-) | (+) | \left. \right> | (-) | (-) | 電荷が打ち消され、支配的な電荷が残る |
| (-) | Neutro | \left. \right> | (-) | (-) | 負の電荷が二つの物体に分配される |
摩擦による帯電
物体を互いに摩擦すると、温度がわずかに上昇します。これは摩擦の際にエネルギーが物体間で移動するためです。そのエネルギーの一部は電子を一方の物体から他方へ移動させることができます。このとき、物体は摩擦によって帯電したといいます。接触による帯電とは異なり、摩擦による帯電では二つの中性の物体が同じ大きさで反対符号の電荷を持つことになります。
以下に、摩擦による帯電の主要な点をまとめた表を示します。
| 初期の電荷状態 | 摩擦の過程 | 最終的な電荷状態 | 観察 | ||
| Neutro | Neutro | \left. \right> | (+) | (-) | 一方の物体が他方に電子を渡し、一方は正に帯電し、もう一方は負に帯電する |
誘導による帯電
帯電方法の中で、誘導による帯電は、関与する物体間に直接的な接触を必要としない唯一の方法として区別されます。この方法では、帯電した物体の電場が中性の物体の電子に及ぼす影響を利用します。この仕組みを理解するためには、負の電荷を持つ電子が、他の帯電した物体の存在下で引き寄せられたり反発されたりすることを知ることが不可欠です。さらに、接地が場合に応じて電子の供給源または貯蔵庫として機能することを理解することも重要です。
中性から負への誘導
中性から正への誘導
