この実験について
すべての電荷は、その周囲に電場を作ります。電場とは、ほかの電荷が受ける押す力や引く力です。また、電位とは、各点で電荷が持つエネルギーをクーロンあたりで表したものです。正電荷と負電荷を配置し、電気力線がプラスからマイナスへ伸び、等電位線がそれらと直角に交わる様子を観察して、プローブを動かし、どこでも電場の強さと電位を測定しましょう。双極子、同種の電荷2つ、平行板コンデンサーのパターンは、GCSEやAPからIB、大学まで、あらゆる物理の授業に登場します。
学習目標
- 点電荷の電場と電位を計算し、複数の電荷による寄与を合成する
- 代表的な電荷配置の電気力線を描き、その間隔が何を示すか説明する
- 等電位線が常に電気力線と直角に交わる理由を説明する
- 電場の強さと等電位線の間隔の関係を説明する。E = −dV/dx
- 平行板の間にできる、ほぼ一様な電場について説明する
使い方
- 1「単一電荷」を選びます。プローブを電荷から10 cm、次に20 cmの位置へ移動します。EとVはそれぞれ何倍変化しますか？
- 2「双極子」を選びます。V = 0となる線を見つけます。その場所で電場もゼロですか？
- 3「同符号の電荷」を選び、電場がゼロになる点を探します。その場所で電気力線はどうなりますか？
- 4+3と−1を選びます。+3の電荷から出る電気力線の一部が−1の電荷に届かないのはなぜですか？
- 5「平行板」を選びます。プローブを板の間で移動させます。Eはどのように変化しますか？板の内側と外側で等電位線の間隔を比べてください。
- 6電場ベクトルを表示し、その向きを電気力線および等電位線と比較します。
モデル
前提条件
- 電荷は真空中に固定された点として、小さな円盤で示されています。電場は画面の平面内のみで表示されます。
- 電場線は正電荷から始まり、1ナノクーロンあたり6本が描かれ、負電荷で終わるか画面外へ出ます。負電荷のほうが大きい場合は、代わりに負電荷から電場線が描かれます。
- 平行板は、それぞれ7個の点電荷が並んだ2列としてモデル化されているため、その間の電場は一様に近いものの、完全に一様ではありません。
- 電位は、無限遠でゼロとなる基準で測定されます。
授業で試してみましょう
- Q1+2 nC の電荷が 0.10 m 離れたところにあります。その位置での E と V はいくらですか？
- Q2+4 nC と +1 nC の2つの電荷が 0.30 m 離れています。2つの電荷を結ぶ直線上のどこで電場がゼロになりますか？
- Q3なぜ2本の電場線が交差することはないのでしょうか？
- Q4等電位線に沿って電荷を移動させるとき、仕事はどれだけなされますか？
- Q5間隔が 2.0 cm の平行板を 100 V に接続します。板の間の電場はいくらで、1 nC の電荷にはどのような力が働きますか？
よくある質問
電場の線は本当に存在するのですか？
いいえ。電場の線はマイケル・ファラデーが考案した作図上の道具です。線の向きは正電荷に働く力の向きを示し、線の密度は電場の強さを示します。電場そのものは、線と線の間も含め、あらゆる点に存在します。
負電荷の近くでは、なぜ電位が負になるのですか？
電位とは、正の試験電荷を遠方から運んでくるのに必要な仕事を、電荷 1 クーロンあたりで表したものです。負電荷の近くでは試験電荷が引き寄せられるため、あなたがする仕事は負になり、電位も負になります。
電位がゼロでない場所で電場がゼロになったり、その逆になったりすることはありますか？
あります。同じ大きさで同符号の2つの電荷の中間では、電場はゼロですが電位はゼロではありません。双極子の中間では、電位はゼロですが電場は強くなります。電場は電位の値ではなく、電位 V がどれだけ急激に変化するかによって決まります。