静電気の電流、電圧はどう考える？理系ライターがわかりやすく解説

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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静電気とは、静止したままの電荷による電気。普通の電気のように電流が流れているわけではない。電気はあるけど流れていないという不思議な状態。

2.電気が流れる状態とは？

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電気の流れ=電荷の流れと言い換えられるでしょう。もっと言うと電子の流れです。全ての物体は原子が集まってで構成されているもの。原子を構成するのは+の電荷を持つ原子核と-の電荷を持つ電子。+電荷同士あるいは-電荷同士は退け合い（斥力が働く）、+電荷と-電荷は引っ張り合う（引力が働く）性質があります。この引力と斥力がうまくつりあって安定するように原子核や電子が配置されているもの。

電子が移動するとは

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まず前提条件として+電荷である原子核は大きく重たい、-電荷である電子は小さく軽いです。したがって電荷の移動が必要になった場合に動くのは電子。

電気が流れるとき必ず電圧がかかっています。電圧がかかる=+か-に帯びた電荷を近付けるものとイメージしましょう。電荷が近付いてくると引力斥力のバランスが崩れますね。バランスを保つため、導電体の場合は物質内の「電子が移動」します。これが電気の流れている状態。ただし、電子が移動できるのは導電体の場合のみ。

3.導電体での電気の流れ

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金属などに代表される「導電体」は、電子が移動しやすい構造です。金属原子の最外殻には電子が存在できるポジションがそこら中にあるので、1か所に留まらず自由に移動できます。いわゆる自由電子。前述のように電圧をかけた時、引力斥力のバランスを保つために電子がスムーズに移動していきます。

オームの法則

電気の流れと言えばこの法則。かける電圧は電流と電気抵抗に比例するというもの。導電体の場合は、電子が比較的スムーズに移動できるため少ない電圧でも多くの電流が流れてくれます。

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導電体での電流

上述のオームの法則に則り、導電体に電圧をかけている限り継続的に電流が流れます。その値は電圧÷電気抵抗。電圧を変えない限り一定の値です

4.絶縁体での電気の考え方

プラスチックなどの絶縁体は基本的に電気を流さない。電気抵抗が無限大と考えましょう。雷など、強力な電圧がかかると無理やり電気が流れることもありますがそれは例外です。

ここで気を付けたいのは絶縁体にも電子が存在すること。電流の元になる電子はあるのですが、原子構造上電子は移動しにくく流れてくれないだけです。金属の場合は、最外殻の電子が存在できるポジションがたくさんありますが絶縁体の場合、電子は限られたポジションにしか存在できないもの。電子軌道内にちょうど満員状態で電子が存在し場所替えが出来ないものと考えましょう。

自由に動けないとは言え、電子が存在する限り絶縁体にも「電気」という概念があります。それが静電気です。大切なのは1文字目の「静」、静止を意味します。電子は存在するが、静止していて流れていないということです。

絶縁体に電圧をかけると

絶縁体では、電気抵抗がほぼ無限大。電圧をかけても電流は流れてくれません。それもそのはず、電子が移動できないのですから。

絶縁体に電圧をかけると（電荷を近づけると）、導電体同様に引力斥力のバランスが狂います。それを調整するために電子が動こうとはしますが、絶縁体の電子が移動するのはあまりに大変なため移動できないのです。動きたい気持ちはやまやまだが敵わず、電子は移動できない。電圧をかけても電流が流れない所以です。

静電気の発生

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では、絶縁体で電気が発生するのは物理的に電荷のバランスが崩された時。

本来、+電荷なる原子核と-電荷なる電子は引力斥力がつり合うようバランスよくポジションを取っています。しかし、擦るなどして物理的に配置バランスを崩してやるとどうなるか。セーターや下敷きを擦った時も電荷のバランスは崩れます。例えば、擦ったせいで電子ばかり1箇所に集中したとしましょう。-電荷ばかりが集まることになると、お互いに斥力が働きます。電子からするとどこかに逃げ出したくたまらない。+電荷なる原子核が集まっている方に移動したいところですね。しかし、絶縁体では電子が自由に移動できない。元に戻りたくても戻れない。その結果電荷が偏って電位差（電圧）が発生している（帯電している）状態、これが静電気です。

絶縁体での電圧

静電気の電圧は、外からかけられるのではありません。外から電圧をかけたところで電子配置はびくとも動かずです。前述の通り、絶縁体での電圧は自らが作った電荷の偏りによる電位差。日常生活で手にばちっと来る静電気は数千V程度の電圧。某ポケモンの電撃技の電圧10万ボルトまではいきませんが、そこそこインパクトのある数字ですね。それだけ絶縁体の電子が「流れたくてうずうずしている」のですね。因みに、人体で感じる電圧の目安は千V以上だそうです。

絶縁体での電流

静電気では電子が移動するわけではないため、電流という概念はありません。電圧は立っているけれど、電気は流れない、そんな状態です。静電気が発生するのは絶縁体であり、抵抗が大きいから電荷の偏りのせいで電圧が立っても電子を移動させられず「ため込んでいる」ようなイメージ。

5.静電気のビリビリ正体

静電気には電流という概念はありません。ならば、静電気でバチっと来る現象は何なのでしょうか。よくよく考えると、あれは金属などの導電体に触った時に起こる現象。導電体に触った時、手にため込んでいる電気が導電体に流れてしまう。
ここで一時的に流れる電気がバチっと来るアレです。ポイントは導電体が関係している点。導電体に触れると静電気が一気に放電され普通の電気のように流れていってしまうのです。