物理学

なぜくっつく?静電気力(クーロン力)を理系ライターがわかりやすく解説

よぉ、桜木建二だ。毛皮にやたらゴミが付く、発泡スチロールのカケラが手から離れない、下敷きで頭をこすると髪の毛がくっつく。これらは静電気の影響で起きる現象。

さて、静電気ってそもそも何だろう?そしてなぜくっついてしまうのか?「電気」というとピンと来やすいが「静電気」は意外と見落としがちな内容だ。理系ライターのR175と解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

R175

ライター/R175

関西のとある国立大の理系出身。学生時代は物理が得意で理科の高校理科の教員免許も持っている。エンジニアの経験があり、教科書の内容に終わらず実際の現象と関連付けて説明するの得意。

1.静電気とは

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本記事では静電気により発生する力静電気力orクーロン力と呼ばれる)について説明しますが、その前にそもそも静電気とは何かというところを見ていきましょう。静電気とは「静止した電荷による電気」。字面だけ見るとそのまんまですね。何が静止なんでしょうか。普通の電気とはどう違うのでしょうか。

普通の電気と静電気

普通の電気(動電気という呼び方もあるらしい)と静電気の大きな違いは、「電気が流れ続けているかどうか」という点。以下、この記事では動電気のことをイメージしやすいように「普通の電気」と称しますが、正式な用語ではないのでテストで解答したり人に説明したりするときは注意してくださいね。

普通の電気は金属など、「電気を流しやすい物体=導電体」で見られます。導電体は分子構造上電荷が移動しやすくなっているもの。移動している電荷がいわゆる「普通の電気」です。

一方、静電気はプラスチックやビニールのように「電気を流しにくい物体=絶縁体」で起きるもの。これら絶縁体は分子構造上、電荷が非常に移動しづらい状態。したがって、電荷は物体内のどこに存在しても移動できずに静止しています。流れていませんが、電荷は存在している。これが静電気の正体。

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ここまででまずは「静電気」について整理した。静電気とは静止した電荷による電気。普通の電気では「電荷」が流れているが、静電気は電荷が流れていない。流れていないけど電荷はある状態。

静電気は絶縁体の摩擦などで発生することはよく知られています。どういうメカニズムで発生するのか見ていきましょう。

2.静電気の発生

2.静電気の発生

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どんな物体も拡大すると、いきつくところは分子、原子。それらは電荷で構成されています。

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+ か –、2つに1つ。+同士や-同士の電荷は退け合い、+電荷と-電荷はひっつき合うもの。これらのバランスが上手く保たれて「物体」の形を為しています。

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ところが、摩擦などによりこれら電荷のバランスが崩れたらどうなるでしょうか?-電荷なる「電子」の方が陽子より軽いため、ズレ動くのは電子の方。ズレ動いた結果、ある所は電子(-電荷)が多めになり、あるところは少なめに。-電荷が多い所は電荷が-気味、少ない所は+気味に。と電荷のバランスが崩れてしまいますね。バランスが崩れると場所によって電位差が出来ますね(+や-やらの差がある)。このように電荷が偏ってしまい元に戻れなくなった状態が静電気というもの。静電気が発生するのは後述のような理由から絶縁体だけです。

静電気が発生する物体とは?

電荷のバランスが崩れても電子が自由に動けたらそのまま元通りバランスが良い状態に戻れます。これは電気を流しやすい(導電体)での状況。電荷は動いてしまうので偏ったままにはならず、したがって静電気も発生しません。

一方、電子が移動しにくい物体(絶縁体)はどうでしょう?一度摩擦などにより電荷のバランスが崩されると、そのまま電子が移動出来ず電荷が偏ったままとなり帯電してしまいます。

+電荷or-電荷の二者択一となる理由

そもそもなぜ+電荷か-電荷のどちらかなのか?電荷なしはありえないのか?実は電荷を持たない中性子も存在しますが、これは陽子という+電荷とセットで存在し原子核を成しているもの。中性子と陽子を切り離すのは物凄いエネルギーが必要で通常はくっついているもの。

したがって+電荷、-電荷、電荷なしの3パターンありますが+電荷なる陽子と電荷なしの中性子は合体して+電荷となる原子核になるので結果、+か-どちらか二者択一になります。

この静電気によって物が引っ付いたり反発し合って離れたりします。一体どんなメカニズムなのでしょうか。

3.引力と斥力のイメージ

3.引力と斥力のイメージ

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+電荷と-電荷は引っ張り合い、+と+または-と-は退け合い。何故こうなるかは解明されていませんが、筆者は電荷の流れに注目するイメージしやすいと考えます。

+の電荷は電位が高く、-電荷は電位が低い。左右で電位差があると、なるべく電位差をなくそうとするべく電荷が移動すると考えましょう。そうするためには+の電荷は電位が低い-電荷の方に、電荷は電位が高い+電荷の方に移動すれば良いですね。お互い自分の電荷とは逆の方に向かう。つまりは同じ電荷からは遠ざかるわけです。
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+電荷と-電荷が偏って存在すると、お互いが近付いて行ってなるべく同じくらいの電位にしようとする。電荷だけでなく、流体の移動や熱伝導でも同じようなことが起きるぞ。
例えば、熱いものと冷たいものを隣同士に置いたらどちらも同じくらいの温になるだろ。電荷もそれと同じで、プラスとマイナス偏りがある場合、どちらも同じくらいの電荷になるよう移動するのだ。

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