静電誘導するときの導体内部はどうなってる?

電磁気学
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taniten
taniten

今回は導体静電誘導を解説するよ!

導体ってどんな物体なんだろう?

ふうた君
ふうた君
taniten
taniten

今回の話は比較的イメージしやすいと思います!

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導体ってどんな物体?

導体とは、金属のように電気をよく通す物質のことです。

導体の中には、自由電子という導体内部を自由に動き回れる荷電粒子が無数に存在しています。

導体が電気をよく通すのは、この自由電子が電気伝導を担っているからなのです。

金属の中の自由電子が電気を運ぶんだね!

ふうた君
ふうた君
taniten
taniten

次は具体的な自由電子の動き方をみてみよう!

導体内部の荷電粒子のふるまい

導体が電気を通しやすい物質であることはわかりました。

それでは導体内部ではどのような現象が起こっているのでしょうか?

例として薄い板状の金属板を考えてみましょう。

金属板に電荷を与えたとき

まずは電場のない空間で、金属板に電荷を与えたときの荷電粒子の振る舞いをみてみましょう。

先ほど書いたように金属板は導体ですから、自由電子が自由に内部を動き回ります。

そのため電気量\(Q\)の電荷を金属板に与えると、電荷が金属板の内部を動き回って、最終的に金属板の表面に分布します。

つまり電荷は金属板の表面にしか分布しておらず、金属板内部には電荷は存在しないのです。

てことは、金属板の表と裏にはそれぞれ\(\displaystyle \frac{Q}{2}\)の電荷が分布することになるんだね!

ふうた君
ふうた君
taniten
taniten

金属板内部の電場が\(0\)になるように電荷が移動していると解釈することができるね。

電場の中に金属板を置いたとき

次は帯電していない金属板を電場中に置いたときの荷電粒子の振る舞いをみてみましょう。

帯電していなくても金属板には自由電子が無数に存在するので、これが電場によって金属板内部を動き回ります。

最終的には下図のように、正の電荷と負の電荷が表面に誘起されます。

こちらの記事で解説したように、電荷に働く力の向きは電荷の符号と電場の向きで決まるのでした。

\(1\,\mathrm{C}\)の電荷が作る電場の向きが電場の正の向きと定義されるので、上の図の場合は正の電荷は電場と同じ向きに、負の電荷は電場と逆向きに力を受けることになります。

したがって図のように、同じ量の電荷が金属板の表裏に誘起されることになるのです。

符号は違うけど、電気量の絶対値は表面も裏面も等しいんだね!

ふうた君
ふうた君

どれくらいの量の電荷が誘起されるかというと、金属板内部の電場が\(0\)になるのに必要な量の電荷が誘起されます。

つまり金属板の周りの電場と、金属板内部の荷電粒子によってできる電場は大きさが等しく互いに逆向きなので、金属板内部での電場は\(0\)になります。

taniten
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このように電場中の導体の内部にある荷電粒子が移動することを、静電誘導というよ!

これと同じような考え方で、金属板の中身をくり抜いた内部が空洞の導体球の場合、内部の空洞は外部の電場の影響を受けません。
これを静電遮蔽と言います。

まとめ

金属のように電気を通しやすい物質を導体といい、内部には自由電子が無数に存在している。

電場のない空間で薄い導体に電荷を与えたとき、導体内部の電場が\(0\)になるように荷電粒子が導体表面に分布する。

帯電していない薄い導体を電場内に置くと、導体内部の電場を\(0\)にするように荷電粒子が移動する。これを静電誘導という。


導体の中身をくり抜いた内部が空洞の導体球の場合、内部の空洞は外部の電場の影響を受けない。これを静電遮蔽という。

電荷が表面に分布しているなんて面白いね!

ふうた君
ふうた君
taniten
taniten

次回は電気を通しづらい物質についてみていくよ!

コメント

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