東大塾長の山田です。 このページでは、 「 電場と電位 」について詳しく解説しています 。 物理の中でも何となくの理解に終始しがちな電場・電位の概念について、詳しい説明や豊富な例・問題を通して、しっかりと理解することができます 。 ぜひ勉強の参考にしてください! 0. 電場と電位 まずざっくりと、 電場と電位 について説明します。ある程度の前提知識がある人はこれでもわかると思います。 後に詳しく説明しますが、 結局は以下のようにまとめることができる ことは頭に入れておきましょう 。 電場と電位 単位電荷を想定して、 \( \left\{\begin{array}{l}\displaystyle 受ける力⇒電場{\vec{E}} \\ \displaystyle 生じる位置エネルギー⇒電位{\phi}\end{array}\right. \) これが電場と電位の基本になります 。 1. 電場について それでは一つ一つかみ砕いていきましょう 。 1. 1 電場とは 先ほど、 電場 とは 「 静電場において単位電荷を想定したときに受ける力のこと 」 で、単位は [N/C] です。 つまり、電場 \( \vec{E} \) 中で電荷 \( q \) に働く力は、 \( \displaystyle \vec{F}=q\vec{E} \) と書き下すことができます。これは必ず頭に入れておきましょう! 1. 2 重力場と静電場の対応関係 静電場についてイメージがつきづらいかもしれません 。 そこで、高校物理においても日常生活においても馴染み深い(? )であろう 重力場との関係 について考えてみましょう。 図にまとめてみました。 重力 (静)電気力 荷量 質量 \(m\quad[\rm{kg}]\) 電荷 \(q \quad[\rm{C}]\) 場 重力加速度 \(\vec{g} \quad[\rm{m/s^2}]\) 静電場 \(\vec{E} \quad[\rm{N/C}]\) 力 重力 \(m\vec{g} \quad[\rm{N}]\) 静電気力 \(q\vec{E} \quad[\rm{N}]\) このように、 電場と重力場を関連させて考えることで、丸暗記に陥らない理解へと繋げることができます 。 1. 3 点電荷の作る電場 次に 点電荷の作る電場 について考えてみましょう。 簡単に導出することができますが、そのためには クーロンの法則 について理解する必要があります(クーロンの法則については こちら )。 点電荷 \( Q \) が距離 \( r \) 離れた点に作る電場の強さを考えていきましょう 。 ここで、注目物体は点電荷 \( q \) とします。点電荷 \( Q \) の作る電場を求めたいので、 点電荷\(q\)(試験電荷)に依らない量を考えることができるのが理想です。 このとき、試験電荷にかかる力 \( \vec{F} \) は と表すことができ、 クーロン則 より、 \( \displaystyle \vec{F}=k\displaystyle\frac{Qq}{r^2} \) と表すことができるので、結局 \( \vec{E} \) は \( \displaystyle \vec{E} = k \frac{Q}{r^2} \) となります!
2 電位とエネルギー保存則 上の定義より、質量 \( m \)、電荷 \( q \) の粒子に対する 電場中でのエネルギー保存則 は以下のように書き下すことができます。 \( \displaystyle \frac{1}{2}mv^2+qV=\rm{const. } \) この運動が重力加速度 \( g \) の重力場で行われているときは、位置エネルギーとして \( mg \) を加えるなどして、柔軟に対応できるようにしましょう。 2. 3 平行一様電場と電位差 次に 電位差 ついて詳しく説明します。 ここでは 平行一様電場 \( E \)(仮想的に平行となっている電場)中の荷電粒子 \( q \) について考えるとします。 入試で電位差を扱う場合は、平行一様電場が仮定されていることが多いです。 このとき、電荷 \( q \) にはクーロン力 \( qE \) がかかり、 エネルギーと仕事の関係 より、 \displaystyle \frac{1}{2} m v^{2} – \frac{1}{2} m v_{0}^{2} & = \int_{x_{0}}^{x}(-q E) d x \\ & = – q \left( x-x_{0} \right) \( \displaystyle ⇔ \frac{1}{2}mv^2 + qEx = \frac{1}{2}m{v_0}^2+qEx_0 \) 上の項のうち、\( qEx \) と \( qEx_0 \) がそれぞれ位置エネルギー、すなわち電位であることが分かります。 よって 電位 は、 \( \displaystyle \phi (x)=Ex+\rm{const. } \) と書き下すことができます。 ここで、 「電位差」 を 「二点間の電位の差のこと」 と定義すると、上の式より平行一様電場においては以下の関係が成り立つことが分かります。 このことから、電位 \( E \) の単位として、[N/C]の他に、[V/m]があることもわかります! 2. 4 点電荷の電位 次に 点電荷の電位 について考えていきましょう。点電荷の電位は以下のように表記されます。 \( \displaystyle \phi = k \frac{Q}{r} \) ただし 無限遠を基準 とする。 電場と形が似ていますが、これも暗記必須です! ここからは 電位の導出 を行います。 以下の電位 \( \phi \) の定義を思い出しましょう。 \( \displaystyle \phi(\vec{r})=- \int_{\vec{r_{0}}}^{\vec{r}} \vec{E} \cdot d \vec{r} \) ここでは、 座標の向き・電場が同一直線上にあるとします。 つまりベクトル量で考えなくても良いということです(ベクトルのままやっても成り立ちますが、高校ではそれを扱うことはないため省略)。 このとき、点電荷 \( Q \) のつくる 電位 は、 \( \displaystyle \phi(r) = – \int_{r_{0}}^{r} k \frac{Q}{r^2} d r = k Q \left( \frac{1}{r} – \frac{1}{r_0}\right) \) で、無限遠を基準とすると(\( r_0 ⇒ ∞ \))、 \( \displaystyle \phi(r) = k \frac{Q}{r} \) となることが分かります!
これは向き付きの量なので、いくつか点電荷があるときは1つ1つが作る電場を合成することになります 。 これについては以下の例題を解くことで身につけていきましょう。 1. 4 例題 それでは例題です。ここまでの内容が理解できたかのチェックに最適なので、頑張って解いてみてください!
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