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1 00 年 月 0 日 月 3:00-4:30 SY 平成 年度工 V 系 社会環境工学科 第 4 回平成 年度工 V 系 社会環境工学科 第 4 回電磁気学 Ⅰ 天野浩項目クーロンの法則と静電界クンの法則と静電界 * 荷電した粒子同士に働くクーロン力クーロンの法則の発見定式 * 荷電した粒子同士に働くクロン力 クロンの法則の発見 定式化及び実際の解析法について学びます * 関数電卓を持参すること 本日の計算に必要な物理量真空の誘電率 : 0 = [F/m] 電子の素電荷 := [C] 本日の計算に必要な物理量電子の素電荷 :.60 0 [C] 直交座標円筒座標極座標 k j sn k j sn sn sn sn sn j sn sn k j sn

2 の直交 デカルト 座標系から円筒 円柱 座標系 極座標系への変 の直交 デカルト 座標系から円筒 円柱 座標系 極座標系の変換により求める方法円筒座標系の例 sn sn tan sn sn sn sn sn sn sn sn s s s s

3 極座標系の例 sn sn sn sn sn tan tan sn sn sn sn sn sn tan sn sn sn sn sn sn sn sn sn sn sn sn sn sn sn sn sn sn sn sn sn sn sn sn 人はいつごろから電気や磁気に気づいたか? 琥珀 =Electon タレス 紀元前 64 年 - 紀元前 546 年頃 古代ギリシアの哲学者 琥珀 Electon ギリシャ語 * 紀元前 600 年ころタレスにより琥珀を羊皮などで擦った後に琥珀がほこりなど * 紀元前 600 年ころ タレスにより 琥珀を羊皮などで擦った後に琥珀がほこりなどを吸い寄せたことに気づいた記述がある 摩擦帯電発見の起源 * 摩擦帯電とは静電気現象の種で異なる二種の物質を擦り合わせることで * 摩擦帯電とは 静電気現象の一種で 異なる二種の物質を擦り合わせることで 一方から他方へ電荷 多くの場合 電子 が移動して電位差生じる現象である 電位差が生じるのは 物質同士が接触するとそれぞれの仕事関数の差によって物質間が移動すが主なあ摩擦接触積を広げ効があで電子が移動することが主要な要因であり 摩擦には接触面積を広げる効果がある

4 人はいつごろから電気や磁気に気づいたか? マグネタイト magnette 磁鉄鉱 [ 酸化鉱物 ] 成分 :Fe + Fe 3+ O 4 名前の由来は 磁鉄鉱が多く産出したマケドニアの地名 マグネシア に由来している説と この鉱物を発見した伝説上の羊飼い マグネス の名にちなんだという説がある マグネットは タレスが紀元前 6 世紀ごろ命名 紀元前 40 年 ~0 年頃 : 慈石と司南および羅盤 N 中国の古文書 呂氏春秋 によると 西欧のマグネットと同じ頃 すでに中国でもこのような鉱石が当時の慈州 S にあり 且つ母親の二つの乳房のように慈愛深く乳児をひきつけることから 慈石 と書かれていた 二つの乳房とは N 極 S 極のこと 中国の方位磁石指南 司南 紀元前 00 年ころ 電荷を溜める道具の発明 746 年 オランダのピーター ヴァン マッシェンブレーケによって発明されたとされるが このような器具で静電気を溜めることができることは その 3ヶ月前にドイツの牧師エヴァルト ゲオルク フォン クライストがクライストが発見している オランダのライデン大学発明されたため ライデン瓶 の名がある ベンジャミン フランクリンの凧揚げの実験にも使われた ガラス瓶の内側と外側を金属でコーティングしたもので 内側のコーティングは金属製の鎖を通して終端が金属球となっているロッドに接続される 初期は水が用いられたが 一般には電極とプレートで構成さががれ これらが絶縁体 例えばガラスによって切り離され そこに電圧をかけると電荷が溜まる コンデンサと同じ j _ note_ 04.html 感電死した人もいますので 実験の際には気をつけてください

5 人はいつごろ正と負の電荷に気づいたか? 733 年 二種電気説を提唱 摩擦の実験を続けるうちに 種類の電気があることに気づく 封蝋を摩擦した場合の電気とガラスを摩擦した場合の電気であり 前者を樹脂電気 後者をガラス電気と命名 Chales Fanços du Fa Fance 年ころ デュフェーの提唱したガラス電気を 正電気 樹脂電気を 負電気 と呼んだ Benjamn Fankln, US クーロンの前にクーロンの法則を導き出した人 773 Hen Cavendsh 73~80, UK ウィキペディアより ウィキペディアより ケンブリッジ大学ウィキディアりキャベンディッシュ研究所

6 クーロン力の名前の起源距離の逆二乗則 定式化のための実験 785 Chales ugustne de Coulomb ,Fance クーロンの法則 静止した二つの点電荷 Q と Q の間に働く力 F は それらを結ぶ直線方向に生じ その大きさは電荷の積に比例し 距離 の 乗に反比例する クーロン力の方向 ーーー + 同種電荷は反発する方向斥力 異種電荷は引きつけるする方向引力

7 クーロンの法則なぜ距離 の 乗に反比例するのか? 荷電粒子 静止している 半径 の球の表面積は? =4 クーロンの法則 電荷 Q と電荷 の間にはクーロン力が働く Q と の距離を とすると, その大きさは Q F [ N] 4 : 電荷の周りの誘電率 N: 力の単位ニュートン =[kg m/s ] 真空の誘電率 ε 0 = [F/m] という係数は, キャベンディッシュ, クーロンが見出したもの 4 は, どちらかの点電荷を中心とした球の表 面積より, 単位面積当たりとした場合 4

8 Q4- 真空中に [m] 離れて 0-6 [C] の電荷と 0-7 [C] の電荷がある 両電荷間に働く力を求めなさい f [ N] Q4- 真空中,つの同じ大きさの小さい導体球が0[cm] 離れて置かれている それぞれに電荷が [C], [C] とするとき, a 両球の間に働く力を求めなさい b 導体球の大きさに比べて十分細い導線で両球を接続したとき, 両球に働く力はどうなるか? F [ N] 引力

9 Q4- 真空中,つの同じ大きさの小さい導体球が0[cm] 離れて置かれている それぞれに電荷が [C], [C] とするとき, a 両球の間に働く力を求めなさい b 導体球の大きさに比べて十分細い針金で両球を接続したとき, 両球に働く力はどうなるか? 電荷は平均化し, それぞれに /= [C] となる F [ N ] Q4-3 下図のように真空中の,B,Cにそれぞれ点電荷を配置した時, Cでのクーロン力の方向と大きさを求めなさい C 間の力 F C C +0-8 [C] C 合成力 F 0cm 0cm BC 間の力 F BC B +0-9 [C] 0cm -0-9 [C] F F C F BC [N] B 60

10 Q4-4 真空中に [m] 離れて相等しい電荷がある その間に次のような力が働く場合, 電荷の大きさは何クーロンか? a[n] [ N] [ C] b [kg] の質量に働く重力に等しい力 9.8[ N] [ C] Q4-5 電子と陽子が 0-8 [cm] 離れているとして, 両者間に働く力を求めよ f 引力 [ N ] 0 0

11 Q4-6 真空中で一直線上に間隔 0[cm] 隔てて,5 0-6 [C], [C], [C] の電荷が存在する それぞれの電荷に働く力を求めなさい [C] [C] [C] 力の向き + 0[cm] 0[cm] [ N] [ N] [ N] Q4-7 質量 m=[g], 電荷 Qの小さな物体 個を, それぞれ長さ a=50[mm] の絶縁糸で同一の点 Oからつるしたとき, 糸の鉛直に対する傾きが0 になった このときの Q はいくつか? O O 50[mm] [mm] [mm] 50[mm] [g] [g] 4 [g] [g] mg tan mg tan [ C] mg R= 50sn0 = 8.68 [mm]

12 本日のまとめ クーロンの法則として理解できたことをまとめなさい

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