電荷

電荷とは、電子や陽子などの素粒子の基本的な性質のことです。電子は負に帯電していますが、陽子は正に帯電しています。負に帯電しているものと正に帯電しているものは、お互いに引っ張り合う(引き合う)。これにより、電子と陽子はくっついて原子になります。同じ電荷を持っているものは、お互いに押しのけ合う(反発する)。これは電荷の法則と呼ばれています。これは、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。電荷がどれだけ強く引っ張り合ったり押し合ったりするかを説明した法則はクーロンの法則と呼ばれています。

電子と陽子の数が等しいものは中性です。電子の数が陽子より多いものは負に帯電し、電子の数が陽子より少ないものは正に帯電している。同じ電荷を持つものは互いに反発する。電荷の違うものはお互いに引き合う。可能であれば、電子が多すぎるものは、電子の負荷に対して陽子の数が多すぎるものに、陽子の数に見合うだけの電子を与える。余分な陽子の数に見合うだけの電子があれば、その2つのものはもうお互いに引き合わなくなります。電子が多すぎるところから少なすぎるところに移動することを電流といいます。

人がカーペットの上で足を動かした後、真鍮製のドアノブに触れると、感電することがあります。余分な電子が十分にある場合は、それらの電子が互いに押し合う力は、電子の一部が人とドアノブの間のギャップを飛び越えてジャンプするのに十分かもしれません。火花の長さは電圧または"電気圧力"の尺度です。単位時間あたりにある場所から別の場所へ移動する電子の数をアンペア数または"電子の流れの速度"として測定します。

プラスやマイナスの電荷を受けると、それぞれの髪の毛の電荷が他の髪の毛を押しのけてしまうため、その人の髪の毛が立ち上がってしまうことがあります。

ドアノブなどで衝撃を受けたときに感じる電荷は、通常25,000~30,000ボルトです。しかし、電流は短時間しか流れないので、人の体に電子が流れても体に害を及ぼすことはありません。一方、雲が電荷を帯びるとさらに高い電圧を持ち、アンペア数(落雷で流れる電子の数)が非常に高くなることがあります。つまり、電子は雲から地球に(あるいは地球から雲に)飛び移ることができるのです。その電子が人の中を通過してしまうと、その感電によって火傷や死に至る可能性があるのです。

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。

  1. 2枚のガラスが反発し合う。
  2. 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。
  3. 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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