物理基礎:電磁気学第1講 原子の構造、電荷、静電気力

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このカテゴリーでは電磁気学を学んでいきます。電磁気学とは、文字通り電気に関する学問です。中学理科で、オームの法則や電磁誘導などを学んだ分野になります。電気は目に見えるものではないので、力学と違ってイメージがしにくいかもしれません。しかし、1つ1つ現象を理解していけば、電磁気学がどういうものかわかるようになります。

それでは、頑張っていきましょう!

原子の構造

電磁気学に入る前に、原子について復習しましょう。あらゆる物はこの原子という粒からできています。

原子は、原子核と電子という2種類の粒から構成されていて、1つの原子核の周りを、いくつかの電子がぐるぐる回っているという形になっています。

原子の構造

原子核の中には、陽子という+の電気をもった粒と、中性子という電気をもたない粒が入っています。そのため、原子核全体では+の電気をもっています。

原子核の構造

一方で、電子は-の電気をもっています。原子は、原子核のもつ+の電気をちょうど打ち消せる数の電子をもっているため、原子全体の電気は±0になるのです。

 

電荷とは

ここまで、「~には+(-)の電気をもつ」という表現をしてきましたが、物理ではこの書き方はしません。

代わりに、「~には+(-)の電荷がある」もしくは「~には+(-)の電荷をもつ」と言います。

電荷とは、物体が帯びている静電気のことです(静電気については次の章で説明します)。

また、電荷の量のことを電荷量と言います。単位はC(クーロン)で表します。

電子や陽子がもつ電荷量のことを電気素量と言います。実際の値は約\(1.60\times10^{-19}\)[C](=0.0000000000000000016)という極めて小さい値です。\(10^{-19}\)は、\((\frac{1}{10})^19\)を意味しています。

毎回\(1.60\times10^{-19}\)と書くのは面倒なので、\(e=1.60\times10^{-19}\)と文字eで置き換えます。電子と陽子の電荷量をeを用いて表すと、それぞれ-e [C]、e [C]となります。

 

電荷間にはたらく力

+と+もしくは-と-のように、同じ符号の電荷の間には、反発しあう力がはたらきます。これを斥力せきりょく
と言います。

一方で、+と-のように、異なる符号の電荷の間には、引き寄せ合う力がはたらきます。これを引力と言います。

電荷間に働く力

以上のような、電荷同士にはたらく力のことを、静電気力またはクーロン力と言います。

クーロン力は電荷量の大きさや、電荷間の距離によって変わります。電荷量が大きければ大きくなり、距離が離れていればその分小さくなります。

 

まとめ

今回学んだことをまとめると、次のようになります。

 

    • 原子は、陽子と中性子からなる原子核と、原子核を中心として回る電子で構成されている
    • 原子核は+の電気をもつ一方、電子は-の電気をもっており、原子全体では±0
    • 物体が帯びている電気の量、またそれをもつ粒子のことを電荷という
    • 同符号の電荷同士には斥力、異符号の電荷同士には引力がはたらく
    • 斥力、引力のような電荷同士にはたらく力を静電気力
      クーロン力)という

 

今回は中学の復習となる部分が多かったので、難しくなかったかもしれませんね。

次回は、静電気について説明したいと思います。静電気と聞いて、「バチッとなるあれか、」と思う人も多いでしょう。なぜ「バチッ」となるのか、身近な疑問にも触れていきます。