電場と電位・コンデンサー（知識）の問題
帯電していない金属（導体）の板と、帯電していないガラス（不導体）の板を、それぞれ別々に一様な電場の中に置き、十分に時間がたった状態を考える。導体の静電誘導と不導体の誘電分極について述べた文として最も適当なものを、次のア〜オから 1 つ選べ。
- ア ガラスの板の内部では、電場の強さは になる。
- イ 金属の板で静電誘導が起こるのは、金属の中の陽イオンが電場の向きに移動するためである。
- ウ ガラスの板で誘電分極が起こるのは、ガラスの中の自由電子が板の表面まで移動するためである。
- エ 金属の板の内部では、電場の強さは になる。
- オ 帯電した物体をガラスの板に近づけると、ガラスの板は帯電した物体からしりぞけられる。
この問題で使うもの
- 導体の静電誘導（説明と入口の問題）
- 不導体の誘電分極（説明と入口の問題）
- 導体内部の電場・電位と静電遮蔽（説明と入口の問題）
この問題を解けるようになるまで（8 技能）
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ヒント
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ヒント 1
導体には自由電子があり、不導体（誘電体）には自由電子がほとんどない、というちがいから考えよう。
ヒント 2
導体では自由電子が、内部の電場が打ち消されるまで移動する。誘電体では原子・分子の中で電荷がかたよるだけなので、内部の電場は弱まるが打ち消されはしない。
ヒント 3
イ・ウは「何が動くか」、オは「近い側に現れる電荷の種類」に注目すると誤りとわかる。残るア・エのうち、内部の電場が になるのはどちらの物質かを考えよう。
答えと解説
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エ
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解説を読む
導体の静電誘導 金属には自由に動ける自由電子がある。外から電場を加えると、自由電子が電場と逆向きの力を受けて移動し、導体の表面の一方に負電荷、反対側に正電荷（電子が不足した部分）が現れる。この電荷がつくる電場が外部の電場を打ち消すまで電子は移動するので、十分に時間がたつと導体内部の電場は になる（導体全体が等電位になる）。よって、エは正しい。
不導体の誘電分極 ガラスのような不導体（誘電体）には自由電子がほとんどない。電場を加えると、それぞれの原子や分子の中で電荷の分布がわずかにかたより、その結果として表面に電荷が現れる。この電荷がつくる電場は外部の電場を弱めるが、打ち消すほどではないので、誘電体内部の電場は弱まるだけで にはならない。
- ア 誤り。誘電体の内部の電場は弱まるが、 にはならない。内部の電場が になるのは導体の場合である。
- イ 誤り。金属の中で移動するのは陽イオンではなく自由電子であり、電子は電場と逆向きに移動する。
- ウ 誤り。不導体には自由電子がほとんどなく、誘電分極は原子・分子の中で電荷の分布がかたよることで起こる。電子が表面まで移動するのではない。
- オ 誤り。誘電分極により、帯電体に近い側に帯電体と異種の電荷、遠い側に同種の電荷が現れる。近い側の異種の電荷との引力のほうが大きいので、ガラスの板は帯電体に引きつけられる。
別解
- ア: ガラス（不導体）では誘電分極により内部に逆向きの電場ができるが、外部電場を完全には打ち消さない。内部の電場は 0 にならず、弱まるだけである。誤り。
- イ: 金属の静電誘導で移動するのは自由電子であり、陽イオンは動かない。誤り。
- ウ: ガラスには自由電子がなく、誘電分極は原子・分子内の電子の位置がわずかにずれる（分子の分極）ことで起こる。自由電子が表面まで移動するのではない。誤り。
- エ: 静電誘導が十分に進んだ状態では、導体内部の電場は 0 になる（導体内部で外部電場と誘導電荷による電場が打ち消し合う）。正しい。
- オ: 帯電した物体を不導体に近づけると、誘電分極により近い側に逆符号の電荷が現れるので、引きつけられる。しりぞけられるは誤り。
正しいのはエ。