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1 v4.1 May.18 静電気と電荷 1 st. 15/4/1 L st. 18/7/14 ォークダウンストレンジボトムクレプトン電荷量 物質粒子の種類と電荷 アップチャームトップ c c c t t t /3 /3 /3 d d d s s s b b b -1/3-1/3-1/3 電子ニュートリノ v ミューニュートリノ v μ タウニュートリノ v τ 電子 ミュー タウ μ τ 最も馴染み深いこの先 新粒子がまた発見される可能性がある 宇宙のしくみ新星出版社 p.159, p.167 人間は 6 兆の細胞から 細胞 1 つあたり 3 億の遺伝子 素粒子の大きさ ヒト1 m 宇宙のしくみ新星出版社 p.158 水分子 1-9 m よりミクロ (1 nm) ナノテク O な世界へ H H 酸素原子 1-1 m 分子極微世界 (1A ) 18 年 1-1 m ピコテク電子原子核 1-14 m 1897 年原子核フェムトテク 1911 年 d 1-15 m d 中性子 (1 fm) 古代エジプトから伝わることば 193 年 As abov, so blow d 中性子アトテク上に在るがごとく下もかく在り クォーク1-18 m 1 年現在の科学レベルではクォーク (1 am) 1961 年 ( 刹那 ) クォークを単独で取り出せない超ひもが解明できれば すべて超高速振動す超ひも? 波動と振動数で説明できる? 神経細胞の蛍光顕微鏡写真 ( 銀河団に似ている ) るひも [Hz] 地球の直径 1,74 km の 1-4 倍は, ちょうど人間の大きさ程度 縄跳びも高速回転すると楕円体に見える ( 粒子の素?) 3 Psntd by Nwton Pss 4 つの力と派生科学 いつ? 音波重力波電磁波物質波 1967 年 Winbg & Salam 素粒子生物化学物理学物理化学 197 年 1916 年 Einstin 制御工学熱力学情報理論量子力学 1935 年通信 情報工学 Ykawa 音響工学量子論電磁界理論機械工学 19 年電子工学 Boh 物理学回路理論電気工学 1911 年 Pali 1684 年 1785 年 Nwton Colomb 電磁気学の範囲 Nwton ムック, 真空とインフレーション宇宙論, ニュートンプレス, p.139 いつ? 物理現象を電磁気学 ( マクスウェルの方程式 ) だけでは完全に説明できない 必ず破綻する 4

2 4 つの力の上位互換性 一般相対性理論 ( 最上位バージョン ) 未完成 未完成 ( 電弱理論 ) 久保田 五日市 `` 磁力の科学 p.19, B&T ブックス日刊工業新聞社 5 太陽 G 4 つの力の正体 重力 地球 ( 陰 ) 到達距離に限りがなくすべての素粒子にはたらく電磁気力 d γ 電子 ( 陰 ) 到達距離に限りがなく電荷を有する素粒子にはたらく 陰が大きすぎると陽 ( 中心 ) がふらつく ( 例 : ハンマー投げ ) 弱い力 中性子 d d W v d ベータ崩壊クォークやレプトンにはたらく 微弱な力 ( 陰 ) 強い力 ( 陰 /3) g d g g ( 陽 /3) ( 陽 /3) クォーク同士を結び付けている強い力 宇宙のしくみ新星出版社 p.167 より 6 1. クーロンの法則. 電界 (q=1 C あたりのクーロンの法則 ) 3. 電位 (q=1 C を無限遠から移動させたとき, 即ちエネルギー版のクーロンの法則 ) 4. 保存場の性質 (q=1 C を閉じた曲線上で移動させたときの仕事はゼロ, 即ち電気版エネルギー保存の法則 ) 1 Qq F ˆ 1 Q E ˆ V 1 E dl Edl C 必須事項 Q Q Q Q E q F 異種には引力 E q 1C C : 閉曲線 Q E q F 同種には斥力 1 Q V 電界に逆らって へ移動 q 1C 閉じた曲線上で電界に逆らって移動 無限遠 q 1C 静電気の応用例 イオンエンジン ( はやぶさ ; 宇宙空間における推進 ) 静電気モーターレーザーコピー機 / プリンター ( インクジェットは圧電素子 ) 静電容量式タッチパネル ( スマートフォン ) ライター / チャッカマン赤外線センサ ( 焦電素子 ), コンデンサマイクロフォン, 圧電マイクロフォンコンデンサスピーカー, 圧電スピーカー圧電トランス ( 電気エネルギーと機械エネルギーの変換 ) 電気集じん機 ( 空気清浄機はこれに脱臭機能が付いたもの ), 電気分別機, 電気植毛機避雷針, アースチェーンスタティックディスチャージャ, ボンディングワイヤ, 液晶ディスプレイ, 電子ペーパー放電加工 高柳, トコトンやさしい静電気の本, 日刊工業新聞社 8

3 イオンエンジン 9 スタティックディスチャージャ ( 放電装置 ) 1 通信用アンテナからの放射電界 通信用アンテナからの放射電界 翼 コロナ放電による電界 翼 高直流抵抗のスタティックディスチャージ 先端部導体 コロナ放電による電界 高柳,`` 科学でひもとくたのしい静電気, pp.6-7, 日刊工業新聞社 11 氷雪雨, 砂塵の衝突による静電気蓄積はコロナ放電を誘発し, 無線通信アンテナに雑音を生じさせる原因となる 日本航空広報部, 最新航空実用ハンドブック, p.143, 朝日新聞社より引用 スプライト 日本航空広報部, 最新航空実用ハンドブック, p.143, 朝日新聞社 11 雷雲から宇宙に向かって赤い光が放たれる スプライト と呼ばれる現象が 茨城県鉾田市沖で 11 月 5 日夜 確認された 空の探検家 として知られる写真家の武田康男さん (56) が撮影 =ISO 感度 5 シャッター速度 3 秒 = に成功した スプライトは上空約 5~9 キロで 雷雲の上から宇宙空間へ向かう放電で窒素分子が発光する現象 199 年代に解明され始めた 落雷と同時に起きるため 地上からは雷光のまぶしさで見るのも撮影するのも難しい 武田さんは 1 秒足らず 目の錯覚かと思うほど一瞬だった 落雷数十回のうち 1 回現れるか否かで 鮮明に撮影できてうれしい と話す 冬は茨城県や千葉県の沖合や 日本海でスプライトが現れやすくなるという 気象予報士でもある武田さんは発生する時間や場所を予測し チャンスを狙った 当夜は強い寒気が入り 約 キロ先の海上に発生した積乱雲を 4~5 時間撮影し続けた 午後 11 時に発光し 数枚撮影できた オーロラやスプライトに詳しい福西浩 東北大名誉教授は スプライトの撮影は雷雲からかなり離れた所から狙う必要があり チャンスは非常に少ない 円柱型とニンジン型の 種類があるが 両方の微細な構造が撮影されており 大変貴重だ と話している ( 中山由美 ) 電磁気学の偉人マップ 8 c [m/s] D 光速 H dl J ds C [C] S t 素電荷アンペア-マクスウェルの法則 B F q v B Edl ds C F I Bl S t D フレミング左手則ファラデーの法則 ds Q E vb フレミング右手則 S ガウスの法則 B ds l Q R C L S S V I ˆ Idl db dq E IR 4 I dt ビオ - サバールの法則 マクロの観察 / 観測 F 1 クーロンの法則 ギルバート (59) 19 ミリカン (85) ヘルツ (37) テスラ (87) ローレンツ (75) m フレミング (96) ローレンツ力マクスウェル (48) キルヒホッフ (63) レンツ (61) ヘンリー (81) ファラデー (76) サバール (5) オーム (65) ガウス (78) エルステッド (74) オームの法則アンペール (61) ビオ (88) ボルタ (8) Qq ˆ クーロン (7) キャベンディッシュ (79) 平賀源内 (5) フランクリン (84) デュ フェ (41) 智慧はバトンリレーのように ミクロの観察 / 観測 どんな偉人も先達の努力 智慧 発見を利用させてもらっている 宗教 外交 貿易制限 ( いわゆる鎖国 )

4 静電気 ( 静電場 ) 静磁気 ( 静磁場 ) 動電磁気 ( 電磁場 ) 電磁気学の学習体系 区別定義 ( 約束 ) 該当科目 磁場は考えない 時間変化は考えない 電場は考えない 時間変化は考えない 動電気には交流回路, 過渡現象, 動磁気はトランス, 交流モーター, 電場 / 磁場ともに考える 時間変化も考える ( 初級 ) 電磁気学 I 別名 : 電気力学 ( 中級 ) 電磁気学 II 別名 : 磁気力学 ( 上級 ) 電磁波工学 別名 : 電磁力学 13 E t 電磁気学解析モデルの選択 静電場 ( 電磁気学 Ⅰ) 電界と磁界が時間的に変化しない 低周波 ( 電気回路 ) E sint 電界と磁界 ( 電磁界 ) は正弦的に時間変化するが 放射は無視できる 過渡現象 ( 電気回路 ) E() t 電磁界が任意に時間変化し 放射はあっても限定的でそれほど問題にならない 高周波 ( 電磁波 ) E sint (1) () (3) (4) 電磁界が正弦的に時間変化し エネルギーは放射を通して伝達される 全てを網羅する (4) 式を使うことは理想だが, 特定の制約条件が適用できる場合は簡略化した方が解析的に扱いやすい 電荷の例 電子 : 電子 : + クォーク : (/3), -(1/3) 陽イオン, 陰イオン : Na +, Cl - 電荷と磁荷の違い 素電荷 d プラズマ ( 電離状態にある高エネルギー粒子 ). 磁荷の例 電荷のように単独で存在できない (N 極 S 極セット ) 磁石方位磁石 地球 イオン 高温 高圧 プラズマ モーター 電磁石 引用先中部電力 初期宇宙 電磁ブレーキ 15 冷えると プラズマ 陰極 電子の電荷素量と質量の決定 高電圧 - + 陽極 真空にしておくと陰極から容易に電子が飛び出す 磁石 陰極線 ( 電子ビーム ) 霧吹き + 高電圧 - 帯電した油滴 顕微鏡 電極 トムソンの実験 (1897) ミリカンの油滴実験 (191) C/kg C m m kg 電子質量は極めて小さいが, 間接測定 ( 別々の測定値を使った間接的な計算 ) で導出できる 例題 トムソンの比率とミリカンの実験から電子質量を求めよ 16

5 電荷 1C は電子何個分か? 17 電荷密度 18 例題 電荷 1 C は電子何個分に相当するか? 便宜上, 電荷素量を有効桁 桁に丸めて C C 上記の電荷素量の式において, 両辺 で割ると C C C l v s (a) Lin chag distibtion [C m] (b) Sfac chag distibtion [C m ] (c) Volm chag distibtion 3 [C m ] 従って, 電子 個分に相当する N. Ida, Engining Elctomagntics, p.15, Sping. 例題 Q=1-9 C が長さ 1 m あたりに一様に分布しているとき, 次のケースにおける電荷密度を求めよ (a) 厚みが無視できるほど細い導線 (b) 半径 d=1 mm の円筒導体 (c) 半径 d=1 mm の円柱絶縁体 ( 内部も一様に分布していると仮定 ) 9 Q 1 l L C/m l 1 C m, s C m, v C m 電荷密度 9 Q Q 1 s C/m 3 S d Q Q 1 s C/m 3 V d 1 (11 ) 6 19 Q [C] 1.E-9 d [m] 1.E- L [m] 1.E+ ρl [C/m] 1.E-9 ρs [C/m ] 1.59E-8 電子を放出しやすい+フランクリンの帯電序列 電子を獲得しやすい-ポリエチレン(下敷き)(ペットボトル)綿羊毛頭髪ナイロン絹塩化ビニール紙合成ゴムラス物質表面の性質の違いによって, 摩擦 ( 外部エネルギー ) を受けたときに表層にある電子を放出するか, 獲得するかが決まる プラスチックはどちらに帯電しやすいか?

6 摩擦帯電 1 導体 絶縁体 ( 誘電体 ) 半導体 中性 (A) 接触 3Q 3Q (A ) 摩擦 7Q 7Q 接触面積増加 導体 半導体 絶縁体 導電率 σ 高 やや低 低 電子の流れ 自由に流れる 少しずつは流れる ほぼ静止している ( 例 ) 金属 G, Si 誘電体 圧力 ( 応力 ) による接触面積増加と分子構造の歪 (B) 圧電 3Q 3Q 高柳 `` トコトンやさしい静電気の本 pp.88-89, B&T ブックス日刊工業新聞社 1Q 1Q (A +B) 帯電 伝導体 1 8 導電率 ( 電気伝導率 )σ [S/m] = 1/ρ シリコゲルマニウムニ銀鉄クロ銅錫ム金鉛線 , はじめての電子回路, p.4, 技術評論社抵抗率 ρ [Ωm] Wikipdia, )大熊電気抵抗率の比較 1-8 プラスチックゴム木材(乾燥ガラス炭素超 皮膚磁器ン(珪素)周期表 3 電荷の性質のまとめ 4 1. 電荷には正負 ( プラス マイナス ) 種類がある. プラス同士またはマイナス同士は互いに反発し プラスとマイナスは互いに引き合う 1 3. 電荷はエネルギーを与えれば異なる媒質間を自由に移動できるが 移動前後の電荷の総量は変わらない これを 電荷保存則 と呼ぶ 4. 自然界の電荷には これ以上分離することができない最小単位が存在する これを 電荷素量 と呼ぶ 大熊, はじめての電子回路, p.5, 技術評論社 1 反発力を斥力 吸引力を引力とも呼ぶ 重力には吸引力しか存在しない 実際には電荷は空中に放電して徐々に失われていく