静電気力ってなに?わかりやすく解説

電磁気学を始めてから最初に躓くのが、今回の「静電気力」です。

公式が出てくる単元では、「公式」単体を覚えがちですが、肝心の使い方を分からずに問題を解く方が多くみられます。

そういう方は応用問題になってくると、解けなくなってくるので、使い方までしっかり理解したいところです。

本記事では、大学受験で物理を使う人向けに、「静電気力とは何なのか?」や静電気力を考えるうえで欠かせない「クーロンの法則」について、静電気力に関する例題を交えながら解説していきます。

苦手意識のある人にもわかりやすく書いているので、最後まで参考にしてみて下さい。

静電気力とは何か?

静電気力(クーロン力)とは、真空中でr [m]離れた2つの点電荷q_{1} [C]、q_{2} [C]の間に働く力を表します。

クーロン力には、「2つの電荷(電気量)の積に比例し、点電荷の間の距離の2乗に反比例する」という関係があります。

    \begin{eqnarray*}F=k_{0}\frac{q_{1}q_{2}}{r^2}\end{eqnarray*}

ここに注意!静電気力に特徴

静電気力は、大きさだけではなく、向きを表すベクトル量でもあります。

なぜなら、電荷の正負の性質によって働く力の向きがあるからです。

同じ符号の電荷どうしには斥力が働くのに対し、異なる符号の電荷どうしには引力が働きます。

また、「2つの電荷の積に比例し、点電荷の距離の2乗に反比例する」という事から、

「2つの電荷の電気量が大きいほど、2つの電荷の距離が近いほど静電気力は大きい」

という事が言えます。

特徴
  • 同じ符号の電荷どうしは斥力が働き、異なる符号の電荷どうしは引力が働く。
  • 2つの電荷の電気量が大きいほど、2つの電荷間の距離が近いほど静電気力は大きい

クーロンの法則とは何か?

先ほど述べた「2つの電荷の積に比例し、点電荷間の距離の2乗に反比例する」という関係で成り立つ法則を「クーロンの法則」といいます。

クーロンの法則

    \begin{eqnarray*}F&=&k_{0}\frac{q_{1}q_{2}}{r^2}\\\\ k_{0}&=&9.0\times10^9 \ [N\cdot m^2/C^2]\end{eqnarray*}

(k_{0}は真空中における比例定数を表しますが、空気中における比例定数もほぼ等しくなります。)

先ほど述べた「電荷の正負の性質によって働く力の貫が変わる」というのは、クーロンの法則の公式に代入すると分かります。

同じ符号の電荷どうしの場合、F>0となるため、退け合う斥力が働きます。

異なる符号の電荷どうしの場合、F<0となるため、引き合う引力が働きます。

向きは非常に重要なので、しっかり頭に入れておいて下さい。

静電気力に関する例題

問題
6.0\times10^{-6} [C]と-8.0\times10^{-6} [C]の電荷をもつ点電荷が真空中にある。2つの電荷の距離が0.01 [m]のときに働くクーロン力を求めよ。

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例題の解答

クーロンの法則から求めていきます。

    \begin{eqnarray*} F&=&9.0\times10^9\times\frac{6.0\times10^{-6}\times(-8.0\times10^{-6})}{0.01^2}\\\\&=&-4.3\times10 \ [N]\end{eqnarray*}

となります。

F<0により、43 [N]の引力が働いていることが分かります。

まとめ

まとめ
静電気力(クーロン力)

真空中でr [m]離れた2つの電荷q_{1} [C]q_{2} [C]の間に働く力

  • 同じ符号の電荷どうしには斥力が働き、異なる符号の電荷どうしには引力が働く
  • 2つの電荷の電気量が大きいほど、2つの電荷間の距離が遠いほど静電気力は大きい

クーロンの法則

    \begin{eqnarray*}F&=&k_{0}\frac{q_{1}q_{2}}{r^2}\\\\k_{0}&=&9.0\times10^9 \ [N\cdot m^2/C^2]\end{eqnarray*}

静電気力についてまとめていきました。

クーロンの法則は非常に重要です。

磁気の範囲でも使いますし、入試でもほかの単元と絡めて出題されます。

きちんと整理して覚え、解けるように何度も繰り返し練習するようにしましょう。


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