電界

電界は、電気と電荷-電荷の相互作用を理解するための基本であり、電位などの重要な量と密接に関連しています。

帯電した物体は電界を生成します。電界の大きさは、物体の電荷量と、電界が測定される物体からの距離に依存します。これらの磁場は、近くの他の電荷や物質にも力を及ぼし、興味深い現象を引き起こします。

このビデオでは、最初に電場に関連する基本概念を再検討し、次に電場と電場内の電荷と材料に影響を与える力の研究に役立つ実験を示します。最後に、電界を有利に利用するいくつかのアプリケーションを見ていきます。

前述のように、帯電した物体は周囲の空間に電界を生成します。ガウスの法則を使用すると、電場の大きさは源電荷「Q」に線形に比例し、源電荷からの距離「r」の2乗に反比例することを示すことができます。'k' はクーロン定数です。したがって、ソース電荷の量を2倍にすると、電界強度が2倍になります。一方、測定距離を2倍にすると、電界強度は4倍減少します。

帯電した物体が作り出す電界は、「電磁力線」と呼ばれる架空の線を使って可視化することができます。これらのラインは、フィールドの大きさと方向の両方を視覚化するために描画された矢印のコレクションです。通常、磁力線は正の源電荷から離れて負の源電荷に向けられます。

帯電した物体によって生成されるフィールドラインの総数は電荷の量を表し、フィールド内の特定の位置でのラインの密度はその位置でのマグニチュードを示します。したがって、線は帯電した球体の近くに密集していますが、ソースからの距離が離れているほど離れています。

未知のソース電荷の電界の方向は、ソース電荷の近くにテスト電荷を配置し、テスト電荷がソース電荷に引き付けられるか、またはソース電荷から反発されるかを観察することによって決定されます。

この力「F」の大きさは、力が電界強度と試験電荷の電荷量に直線的に比例することを示すクーロンの法則によって与えられます。方向について:テスト電荷が正の場合、テスト電荷にかかる力の方向は電界と同じです。ただし、テスト電荷が負の場合、力の方向はソース電荷の電界の方向と逆になります。

電界は、電界の方向に沿って電位差または電圧降下も生み出すことがあります。この現象については、このコレクションの電位ビデオで詳しく説明しています。逆に、電界は、2つの分離した導体に異なる電圧を印加することによっても生成されることに注意することが重要です。この場合、電界方向は高い電圧から低い電圧を指します。

電界は、帯電した物体に加えて、銅線のように電荷中性の材料にも影響を与えます。すべての中性材料は、正と負の電荷が等しく膨大で結構な量で構成されています。したがって、電場はこれらの電荷のそれぞれに力を及ぼします。その結果、材料内の電荷の大きなコレクションが変位します。これにより、正電荷と負電荷が効果的に分離され、「分極」と呼ばれます。

次のセクションでは、2つの異なる電極構成に電圧を印加することによって生成される電界の磁力線を視覚化する方法を見ていきます。そして、その次のセクションでは、紙、毛皮、アクリル棒、ソーダ缶を使用した電気力の影響と分極現象を見ていきます。

デモンストレーションは、ハンドヘルドStatic Geneconやvan der Graff発電機などの静電発電機、同心円状に配置された一対の電極、互いに平行に配置された一対の電極、およびペトリ皿または観測タンクで構成されています。

観測タンクには、ヒマシ油のような粘性のある油と、セモリナ粉などの偏光性粉末が約半グラム入っています。

オイルと粉末エマルジョンを充填した観察タンクをホルダーにセットします。次に、平行電極構成のプレートをホルダーに取り付けます。ケーブルを使用して、電極を静電発電機のマイナス端子とプラス端子に接続します。

発電機のクランクを少なくとも5回転回転させて、2つの導体間に電位差を生じさせ、電界を確立します。添加された粉末は分極性であるため、粉末の斑点はゆっくりと電磁線に整列し始めます。

次に、電荷を中和するために、端子間にケーブルを接続してプラス端子とマイナス端子を直接短絡します。電荷がなくなるまで数秒待った後、短絡ケーブルを端子から外します。次に、電極プレートをホルダーから取り外します。

次に、同心円電極構成のプレートをホルダーに取り付けます。観察槽内の油と偏光粉を、セットアップを慎重に転がして混ぜます。

発電機の電源を入れ、少なくとも5回転回して、2つの導体リング間に電界を作り出します。リング間の粉末は、この領域の電界線がリングの中心に位置する点電荷の電磁線に類似していることを示す放射線を形成します。対照的に、内側の円内の粉末は識別可能な整列を持っておらず、この領域には目立った電界が存在しないことを示しています。

次に、分極と電界力を実証する実験について説明しましょう。このデモンストレーションでよく使用されるアイテムは、空のソーダ缶、アクリル棒、棒を包むのに十分な大きさの毛皮、および紙片です。

空のソーダ缶を横にして、自由に転がれるようにします。毛皮をロッドに巻き付け、端から端まで少なくとも10回こすります。ロッドをこすることで、毛皮からロッドに電子を物理的に移動させ、ロッドをマイナスに帯電させ、分極を誘発するために必要な電界を生成できるようにします。

充電されたロッドを空のソーダ缶に近づけ、ロッドに向かって転がり始めるときに缶にかかる引力を観察します。これは、ロッドの電界がソーダ缶に分極を誘発するためです。ロッドの電荷と符号が反対の電荷はロッドに近づき、同じ符号の電荷はロッドから押し出されます。これにより、ロッドは缶に引力と反発力の両方を発揮します。反対の電荷がロッドに近いため、これらはより強い力を受け、ロッドに向かって正味の引力を生み出します。

次に、帯電したロッドを紙片に近づけ、紙がロッドに向かって曲がるのを観察します。この引力的な挙動は、ソーダ缶がロッドに向かって転がる原因となったのと同じ誘導分極効果の結果です。興味深いことに、ソーダよりもはるかに軽いにもかかわらず、紙の全体的な動きは比較的小さいです。これは、缶の導電性と比較して紙の絶縁性によるもので、分極がはるかに弱くなります。

電界は、帯電した物体や電圧差がある場所ならどこでも存在するため、どこにでも存在します。

電気、または電流は、電気力場が導電性の高いワイヤを介して電荷を押し出す結果です。大規模には、発電所から住宅や商業ビルへの電力のルーティングが含まれます。小規模では、回路を電流が流れることは、LED、電球、ファン、コンピューターなどの電子機器を操作するための基本です。

質量分析計は、電場を使用してサンプルの化学含有量を決定します。この装置では、まず電子ビームやプラズマ、レーザーなどの強い力が加わることでイオン化分子が生成されます。次に、これらの荷電分子は、一連の交流電場を通過します。電界は分子に電気力を及ぼし、それが分子の軌道を変化させ、効果的な分離につながります。

JoVEのElectric Fieldsの紹介を見ました。これで、電場の大きさと方向を支配する原理、電磁線を視覚化する方法、および電場によって分極が誘発される方法を理解できました。ご覧いただきありがとうございます!