電荷の意味と電気量の定義を解説!【原子の構造もあるよ】

電磁気学
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taniten
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今回から電磁気学の解説をしていくよ!

電気って身近だけど、目に見えないからどんな現象が起きてるのか気になるね!

ふうた君
ふうた君
taniten
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そうだね!
今回は電気の基本である、電荷原子の構造について解説するよ!

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電荷と電気量

雷も電気の形態の一つ

身の回りの電気

私たちの身の回りには電気を使った電化製品があふれています。

テレビや冷蔵庫、みなさんが持っているスマホやパソコンも、電気の力で動いています。

他にも冬の乾燥した日、ドアノブを触った時に手にバチっと衝撃を受けたことがあるのではないでしょうか?
これも静電気と呼ばれる電気の一種です。

さらに電気ウナギのように電気を体で生み出す生物もいますし、自然の中にも雷のように電気が関わる現象もあります。

このように、電気というものは様々な形で存在しているのです。

電荷とは?

このように、身の回りにはたくさんの形で電気があふれていますから、全てを一挙に扱うためには「電気的な性質を持つ基準」を決めておく必要があります。

基準を決めておけば、電化製品を動かす電気だろうが静電気だろうが雷だろうが、その基準をもとにして強さやエネルギーを表現することができるからです。

この基準として、電荷という概念を考えます。

電荷は電気を持っている粒子だと考えてください。
持っている電気はその場その場で違ってきます。

たとえばものすごい電気を持っている電荷を考える時もあれば、めちゃくちゃ微小な電気しか持ってない電荷を考えることもあります。

この「電荷」という概念を導入することで、電気を電荷の物理として扱うことができるようになるのです。

電荷っていうのは質量を持っている粒子なの?

ふうた君
ふうた君
taniten
taniten

それもその場その場で変わってくるよ。
質量を持つ電荷もあれば、質量を持たないと考える電荷もある。十人十色ってわけさ。

電荷の単位は電気量

物理の世界では、自然現象を数学的に解いていくために単位という尺度を導入します。

電荷という概念を扱うためには、電荷専用の単位が必要になるわけです。

電荷の単位はクーロン[\(\mathrm{C}\)]で表されます。

taniten
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クーロンで電荷の大きさを考える時、電気量っていったりもするよ!

つまり電気量のクーロンの値が大きければ大きいほど、その電荷が持つ電気は大きいということになります。

静電気よりも雷の電気量の方が大きいってことだね!

ふうた君
ふうた君

ここでクーロンは電流の単位であるアンペア[\(\mathrm{A}\)]を使って表すこともできます。
この場合、「\(1\mathrm{C}\)は1秒間に\(1\mathrm{A}\)の電流が運ぶ電気量」と定義されます。

taniten
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電流自体の定義や考え方についてはまた別の記事で解説するね!

原子の構造

原子をモデル化した絵

原子を構成する粒子

電荷と電気量の導入によって電気を数値化できるようになったので、物質を構成する基本要素である原子の構造を見ていくことにしましょう。

上の絵のように、原子は中心にある「原子核」と、その周りを回る「電子」で構成されています。

さらに原子核は「陽子」「中性子」という2種類の荷電粒子によって構成されています。

taniten
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荷電粒子っていうのは、電荷を持っている粒子のことだよ!

陽子とか電子は質量を持っているの?

ふうた君
ふうた君
taniten
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持っているよ。それぞれの質量と電気量は下の表のようになります。

荷電粒子質量[\(\mathrm{kg}\)]電気量[\(\mathrm{C}\)]
電子\(9.109\times 10^{-31}\)\(-1.602\times 10^{-19}\)
陽子\(1.673\times 10^{-27}\)\(1.602\times 10^{-19}\)
中性子\(1.675\times 10^{-27}\)\(0\)

この表からもわかるように、陽子と電子の持つ電気量の絶対値は等しく、その符号は陽子が正、電子が負となっています

また陽子と中性子の質量はほぼ同じですが、電子はその\(\displaystyle \frac{1}{1836}\)程度の質量しかないこともわかります。

なんか軽すぎる上に電気量も小さすぎて、違いが全然イメージできないね・・・。

ふうた君
ふうた君
taniten
taniten

そうだね。
ちなみに僕は宇宙素粒子の研究をしているから分かるけど、このわずかな違いが宇宙の形成に大きく関わっているんだよ。
物理って面白いよね!

まとめ

電気を持っている粒子のことを電荷といい、電荷が持つ電気の大きさ(電気量)は、クーロン[\(\mathrm{C}\)]で表す。

原子は陽子と中性子で構成される原子核と、その周りを回る電子で構成される。

電子・陽子・中性子の質量と電気量の関係は以下の通りである。
・電子は負の電荷をもち、陽子は正の電荷を持つ
・電子と陽子が持つ電気量の絶対値は等しい
・電子の質量は陽子の質量のおよそ\(\displaystyle \frac{1}{1836}\)程度である
・陽子と中性子の質量はほぼ同じ
taniten
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電荷や電気量の考え方は電磁気学の基本中の基本。
とっつきづらいけど徐々に慣れていこう!

もっと理解できるように頑張るね!

ふうた君
ふうた君

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