電場ってなに?わかりやすく解説

今回は「電場」について学習していきましょう。

本記事では、大学受験で物理を使う人向けに、「電場とは何か?」を、電場に関する例題を交えながら解説します。

苦手意識のある方にもわかりやすいように解説していきますので、最後まで参考にして下さい。

電場とは何か?

電場とは、「電気を帯びた物体に電気力を与える空間」を指し、電場の単位は、[N/C][V/m][本/m²]の3つあります。

電場の単位は非常に大切ですが、この記事では[N/C]で解説していきます。

電場の強さと向き

電場に正電荷を置いた時と負電荷を置いた時とでは、作用する静電気力の向きは反対になります。

電場の正の向きは正電荷が静電気力を受ける向きになります。

また、静電気力の大きさも電荷によって異なり、+1 \ [C]の電荷が受ける力の大きさを電場の強さと決めます。

このように、電場は大きさと向きをもつベクトルです。

従って、複数の電場が生じたとき、その強さと向きは、数学的にベクトルの加法に従います。

電場の単位

電場のある空間に、+1 \ [C]の電荷を置いた時、その電荷がE \ [N]の力を受けたとします。

同じ点に+q \ [C]の電荷を置くと、その電荷が受ける力F \ [N]E \ [N]q倍であるから

    \begin{eqnarray*}F=q\times E\end{eqnarray*}

となります。

よって、先ほど触れたように、電場の単位は[N/C]で表されます。

ポイント

電荷q \ [C]が電場E \ [N/C]で受ける静電気力はF=q\times E \ [N]

クーロンの法則との関係

ある点Oに点電荷+q \ [C]を置いたとして、その周りにどのような電場が出来るかを考えます。

点Oからr \ [m]離れた任意の点Pに+1 \ [C]の電荷を置くと、これに作用する静電気力の大きさが点Pの電場の強さを表します。

この力の大きさをE \ [N]とし、クーロンの法則より、

    \begin{eqnarray*}E=k_{0}\frac{1\times q}{r^2} \ [N]\end{eqnarray*}

であり、これが電場の大きさになります。

よって、+q \ [C]の電荷が作る電場は、

    \begin{eqnarray*}E=k_{0}\frac{q}{r^2} \ [N/C]\end{eqnarray*}

となります。

向きは+q \ [C]の電荷が受ける静電気力と同じ向きになります。

電場に関する例題

問題

空間中の点Aに3.0\times10^{-8} \ [C]の正電荷を置いた。点Aからr \ [m]離れた点を点Bとする。

  1. 点Bでの電場の向きは、A→B、B→Aのどちらか
  2. 点Bでの電場の強さを求めよ

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例題の解答と解説

  1. 電場の向きは、点Bで正電荷の受ける静電気力の向きと同じなので、A→B
  2. 電場の式より
    \begin{eqnarray*}E&=&9.0\times10^9\times\frac{3.0\times10^{-8}}{r^2}\\\\&=&\frac{2.7\times10^2}{r^2} \ [N/C]\end{eqcarray*}
    となります。

まとめ

まとめ

電場とは、「電気を帯びた物体に電気力を与える空間」

単位:[N/C][V/m][本/m²]

電荷+q \ [C]が電場E \ [N/C]で受ける静電気力は

F=q\times E

電荷+q \ [C]が作る電場の強さは、

E=k_{0}\frac{q}{r^2}

電場の考え方は電気分野で応用できるので極めて重要です。

しっかりと解説を読み、きちんと整理して覚え、解けるように何度も反復して練習するようにしましょう。


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