電荷とは：基本概念、クーロンの法則、電流と静電気の仕組み
電荷の基礎からクーロンの法則、電流と静電気の仕組みを図解でわかりやすく解説。日常例で学べる電気の基本ガイド。
電荷とは、電子や陽子などの素粒子の基本的な性質で、物質が電磁気力を受けたり他の物質と相互作用したりする原因になります。電子は通常負に帯電し、陽子は正に帯電しています。正電荷と負電荷は互いに引き合い、同符号の電荷同士は反発します。この振る舞いは電荷の基本法則の一部であり、電荷どうしの力の大きさを定量的に示した関係がクーロンの法則として知られています。
基本的な性質と単位
電荷は離散的（量子化）で、最小単位は素電荷 e（電子の電荷の大きさ）で、数値としては約 1.602×10−19 クーロン（C）です。電荷の単位はクーロンで、1クーロンは約 6.24×1018 個の電子に相当します。物理法則としては、電荷は保存されます（閉じた系内で総電荷は変化しない）。
クーロンの法則（電荷間の力）
クーロンの法則は、2つの点電荷 q1, q2 が距離 r 離れているときに働く力の大きさ F が、電荷の積に比例し距離の二乗に反比例することを述べます（式で表すと F = k q1 q2 / r2）。ここで k はクーロン定数（真空中で約 8.99×109 N·m2/C2）です。力の向きは、異符号なら引力、同符号なら斥力です。
導体・絶縁体・偏極
物質の中で電荷が自由に移動できるかどうかは物質の性質によります。金属のような導体では電子が自由に動き回りやすく、外部電場があると電荷が表面に移動して内部の電場を打ち消します。一方、プラスチックやガラスのような絶縁体では電荷は局所に留まりやすく、摩擦などで電荷が偏る（静電誘導や摩擦帯電）と静電気現象が生じます。
電流と電圧
電流とは、ある断面を単位時間当たりに通過する電荷の量のことで、その単位はアンペア（A）です。通常は電子の流れとして説明されますが、正電荷の移動（正孔）として扱うこともあります。電流を駆動するのは電位差（電圧）：電位差は「電気の圧力」として物質中の電荷を移動させます。電圧の単位はボルト（V）で、1ボルトは1ジュールの仕事で1クーロンの電荷を移動させるときの電位差に相当します。電荷の移動（電流）と電圧の関係は回路要素（抵抗やコンデンサなど）によって決まります。
静電気と放電の例
日常的な静電気現象の例として、人がカーペットの上で歩いた後に金属製のドアノブ（例：真鍮製）に触れて「バチッ」と感じることがあります。これは体に余分な電子がたまり、触れた瞬間にその電子がドアノブへ短時間で移動して放電するためです。余分な電子同士の反発や、電界が十分に強くなると、電子が空気中のギャップを越えてジャンプして放電（火花）します。火花が飛ぶ長さは電圧（電位差）の大きさや空気の破壊電界に依存します。空気の破壊電界はおおよそ 3×106 V/m 程度なので、数ミリのギャップでも数千ボルトが必要になります。
髪の毛が逆立つのも静電気の一例です。髪の毛一本一本が同じ符号の電荷を帯びると互いに反発し合い、全体として立ち上がります。
雷（落雷）との違いと危険性
ドアノブで感じる放電は短時間・流れる電荷量が小さいため通常は無害ですが、積乱雲などで発生する雷は桁違いに高い電圧と非常に大きな電流を伴います。雷の電圧は百万ボルト（MV）単位に達することがあり、流れる電流は数万アンペア（kA）に及ぶことがあります。このため、落雷は強力な放電であり、直接打たれたり近くで電流が流れると火傷や致命的な電気的損傷を引き起こす可能性があります。
人体への影響（概略）
電気による人体への影響は、主に流れる電流の大きさと流れる時間、流路（心臓を通るかどうか）によって決まります。短い高電圧の静電気ショックは感覚的な痛みを伴うことがありますが、流れる電荷量が非常に小さいため大きな損傷を与えることは少ないです。一方で、雷や家庭用の感電事故では電流と通電時間が大きくなり得るため危険です。安全のため、電気設備や雷が予報される場合の避難など適切な対策を取ることが重要です（詳細な医療上の閾値や処置については医療専門家の指示に従ってください）。
まとめ
電荷は物質の基本的な性質であり、正負の電荷の相互作用が電気現象の基礎をなしています。クーロンの法則と電磁気の法則により力や場を定量化でき、電流（電荷の移動）と電圧（駆動力）の概念を通して回路や静電気、雷など多様な現象を理解できます。導体と絶縁体の違い、電荷の保存と量子化といった基本概念を押さえておくと、身の回りの電気現象を合理的に説明できます。
歴史的実験
ジェームス・クラーク・マクスウェルの著作「A Treatise on Electricity and Magnetism」（1873年）の中で、次のような実験が行われています。通常、ガラスと樹脂はどちらも中性に帯電しています。しかし、こすり合わせてから分離すると、互いに引き合うことができるようになります。
第二のガラス片を第二の樹脂でこすると、次のようなものが出てきます。
- 2枚のガラスが反発し合う。
- ガラスの一枚一枚が樹脂の一枚一枚を引き寄せています。
- 2枚の樹脂が反発し合う。
帯電したものと帯電していないものを一緒にすると、引力は非常に弱くなります。
このように物を引きつけたり反発させたりすることができる体は、「電気を帯びている」「電気を帯びている」と言われています。2つの異なる物質をこすり合わせると、一方がもう一方に電子を与えるために電荷が発生します。これは、2つの物質の原子は、電子を引き寄せる力が不均等だからです。そのため、電子を引き寄せる力の強い方が、引き寄せる力の弱い方から電子を奪うことになります。ガラスを何か別のものにこすりつけると、電子を与えるか、奪うかのどちらかになります。何が起こるかは、他のものが何であるかによります。
電子を奪ったものを「負に帯電したもの」、電子を手放したものを「正に帯電したもの」と呼びます。これらの名前に特別な理由はありません。ただ恣意的（ランダムな選択）な慣習（合意）に過ぎません。
摩擦によって帯電する以外にも、身体は様々な方法で帯電することがあります。
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質問と回答
Q:電荷とは何ですか?
A: 電荷とは、電子、陽子、その他の素粒子の基本的な性質です。電子はマイナスに、陽子はプラスに帯電しています。同じ電荷を持つもの同士は押し合いへし合い（反発し合い）ます。
Q:誰が「電荷の法則」を発見したのですか?
A:電荷の法則はシャルル-オーギュスタン・ド・クーロンによって発見されました。
Q:クーロンの法則は何を記述していますか?
A:クーロンの法則は、電荷がお互いにどれだけ強く引っ張ったり押したりしているかを記述しています。
Q:中性の物体は、プラスやマイナスの電荷を持つ物体とどう違うのですか?
A:電子と陽子の数が等しいものは中性で、電子の数が陽子より多いものは負に、電子の数が陽子より少ないものは正に帯電しています。
Q:異なる電荷を持つ2つの物体が接触するとどうなるのですか?
A:異なる電荷を持つ2つの物体が接触すると、互いに引き合うことになります。可能であれば、電子が多すぎる方は、電子の負荷に対して陽子の数が多すぎる方の陽子の数に見合うだけの電子を与えるでしょう。もし、余分な陽子の数に見合うだけの電子があれば、その2つのものはもう互いに引き合うことはないだろう。
Q:電流はどのようにしてできるのですか?
A:電子が、多すぎるところから少なすぎるところへ移動するとき、それを電流と呼びます。
Q:電撃はなぜ危険な場合とそうでない場合があるのですか?
A:ドアノブなどで受ける感電は、通常2万5千〜3万ボルトですが、電流は短時間しか流れないので、身体に害を与えることはありません。一方、雲が電荷を持つと、さらに高い電圧とアンペア数（落雷で流れる電子の数）が非常に大きくなります。つまり、この高電圧・高アンペアの電子が人を通過すると、火傷や死亡の恐れがあるのです。
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