導体ってなに?わかりやすく解説してみた【電磁気学】

本記事では、大学受験で物理を扱う人向けに、「導体とは何か?」を解説します。

特にコンデンサーを勉強するときに、導体の原理を理解していると、コンデンサーの理解も早いので、しっかりマスターしましょう。

苦手意識のある人にもわかりやすく解説していますが、まだしっかりと理解していない人は必ず復習しておいてくださいね。

導体とは何か?


(*見やすさの都合上電子の数は少なめです。)

導体とは、「電気を通しやすい物質」のことです。

電荷の解説記事でも取り上げましたが覚えてますか?

具体例として、導体になるのはアルミニウムや鉄、ステンレスなどが挙げられます。

ここで、導体がなぜ電気を通しやすいかというと、自由電子が導体の中に入ると、物質内にある電子を他の所へ移動させ、どかされた電子は他の電子を押しのけようとするからです。

このように、電子の入れ替わりが物質の中で頻繁に行われることで、導体は電気を通しやすくなります。

電荷の分布

導体を帯電させると、電荷どうしは斥力を及ぼしあって、互いに遠ざかろうとします。

そのため、「電荷は導体の表面にのみ分布し、導体内部には分布しません。」

従って、導体内部には電場が存在しません。

ここはとても大切なので、絶対に覚えておきましょう。

中空の導体を帯電させる場合、電荷は外側の表面だけに分布し、内側の表面には分布しません。

球形の導体を帯電させた場合、表面に一様に分布します。

複雑な形状の導体を帯電させた場合、とがった部分に多くの電荷が集まります。

よって、電荷の分布密度は導体の形状によって異なることが分かります。

これらは、自由電子が互いに反発して、物質の表面に移動するという原理から理解できます。

帯電された導体の性質

導体には、以下の3つの性質があります。

  1. 電荷が静止している場合、導体内部に電場は存在しない
  2. 帯電導体はどの部分でも電位が等しい
  3. 帯電導体の表面の電場の方向は導体の表面に垂直である

1つずつ確認していきましょう。

電荷が静止している場合、導体内部に電場は存在しない

もし、電場が存在するならば、導体内部の自由電子が静電気力を受けて運動を始めます。

これは電荷が静止しているという前提に反します。

よって、導体内部に電場は存在しません。

帯電導体はどの部分も電位が等しい

もし、導体内部で電位の等しくない部分があれば、そこには電場が存在することになり、1つ目の性質に反することになります。

帯電導体の表面の電場の方向は導体表面に垂直である

もし、垂直でないとすると、導体の表面に平行な電場成分があることになり、導体内部にも平行な電場が存在することになります。

これは1つ目の性質に反します。

静電遮蔽とは?

中空の導体を帯電させても、その空洞内には電場はできません。

そのため、導体で囲まれた空間は、外部の電場がどのように変化しても、その影響を受けることはありません。

接地している状態

接地していない状態

また、接地(アース)された導体で囲まれた空間に帯電体を分布させると、その電場は外部に影響しません。

このように導体が外部の遮る作用を「静電遮蔽」といいます。

一緒に覚えておこう!絶縁体(不導体)と半導体

  • 不導体(絶縁体)・・・電気を通しにくい、あるいは通さない物質
  • 半導体・・・導体と不導体の中間の性質を持つ物質

具体例として、絶縁体はプラスチックやビニール、ガラスなどが挙げられます。

半導体には、ケイ素やゲルマニウムが代表的なものとしてあげられて、パソコンの集積回路(ICチップ)などに利用されます。

特に不導体は、のちの「誘電分極」で出てきますので、この時にしっかり理解できるようにしましょう。

まとめ

まとめ

導体とは、「電気を通しやすい物質」のこと。

帯電された導体の性質

  1. 電荷が静止している場合、導体内部に電場は存在しない
  2. 帯電導体はどの部分も電位が等しい
  3. 帯電導体の表面の電場の方向は導体表面に垂直である

静電遮蔽・・・導体に囲まれた空間は、導体の外部の電場の影響を受けない

今回の記事は、かなり大切なので、しっかりと読み込んで、きちんと整理して覚え、t9けるように何度も繰り返し練習するようにして下さい。


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