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不導体の誘電分極

不導体(誘電体)では自由電子は移動せず、原子・分子内の電荷の偏りによって表面に電荷が現れること(誘電分極)を説明でき、不導体も帯電体に引き寄せられること、内部の電場は弱まるが 0 にはならないことを、導体の静電誘導と区別して判定できる

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説明

不導体(誘電体)に帯電体を近づけると、不導体の表面に電荷が現れます。この現象を誘電分極といいます。この技能を身につけると、紙片やプラスチックのように電気を通さない物体でも帯電体に引き寄せられる理由を説明できます。また、不導体の中の電場がどうなるかを、導体の静電誘導と区別して判定できるようになります。

なぜそうしてよいのか

導体には自由電子があります。帯電体を近づけると、自由電子が物体の中を移動して静電誘導が起こります。不導体には自由電子がほとんどなく、電子は原子や分子にしばられています。それでも外から電場がかかると、原子の中の電子の分布は電場と逆向きに少しだけずれ、原子核(正)の位置とわずかに食い違います。もともと正負の偏りをもつ分子(極性分子)は、電場の向きにそろうように回ります。こうして一つ一つの原子・分子が「片側が正、反対側が負」の状態になります。これを分極といいます。

内部では、隣り合う分子どうしの正と負が接しているので、電荷は打ち消し合います。打ち消す相手がいない表面にだけ電荷が残ります。帯電体に近い側の表面には異種の電荷、遠い側の表面には同種の電荷が現れます。各分子は正負を同じ量だけもつので、不導体全体の電気量は 0 のままです。クーロンの法則 では、距離が近いほど力は大きくなります。そのため、近い側の異種の電荷が受ける引力は、遠い側の同種の電荷が受ける斥力より大きくなります。その結果、不導体は全体として帯電体に引き寄せられます。

表面の電荷が不導体の内部につくる電場は、外部の電場と逆向きです。そのため内部の電場は弱まります。導体では、内部に電場が残っている限り自由電子が動き続けます。だから移動が止まった状態では、内部の電場は 0 になっています。不導体では、電荷は原子・分子の外へは出られず、わずかにずれるだけです。そのため、外部の電場を完全に打ち消すほどの電荷は現れません。内部の電場は弱まりますが、0 にはなりません。

手順

  1. 物体が導体か不導体かを確かめる。自由電子があれば導体で、静電誘導を考える。なければ不導体で、誘電分極を考える。

  2. 不導体では、外部の電場によって原子・分子の中で電荷がわずかに偏ることを確認する(電子の分布のずれや、極性分子の向きの整列)。電荷は分子の外へ移動しない。

  3. 表面に現れる電荷を決める。内部の正負は打ち消し合うので、帯電体に近い側の表面に異種、遠い側の表面に同種の電荷が現れる。不導体全体の電気量は 0 のまま。

  4. 力の向きを判定する。近い側の異種の電荷が受ける引力は、遠い側の同種の電荷が受ける斥力より大きい()。よって不導体は帯電体に引き寄せられる。

  5. 内部の電場を判定する。表面の電荷が内部につくる電場は外部の電場と逆向きなので、内部の電場は弱まる。ただし導体と違って 0 にはならない()。

例題

帯電していない不導体(ガラス)の板に、正に帯電した棒を近づけた。このときのようすについて述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア ガラスの板の内部の自由電子が棒に近い側へ移動し、ガラスの板の、棒に近い側の表面に負の電荷が現れる。
イ ガラスには自由電子がほとんどないので、ガラスの板は棒から力を受けない。
ウ ガラスの板の、棒に近い側の表面に負の電荷が現れ、ガラスの板の内部の電場は弱まるが 0 にはならない。
エ 誘電分極によって、ガラスの板の内部の電場は完全に打ち消されて 0 になる。

例題の解答

手順 1:ガラスは不導体で、自由電子がほとんどない。したがって静電誘導ではなく、誘電分極を考える。自由電子の移動で説明しているアは誤り。
手順 2:棒による電場で、ガラスの板の原子・分子の中の電荷がわずかに偏る。正の棒に負の電荷が引かれるので、各分子の負の側が棒に近い向きになる。
手順 3:板の内部では、隣り合う分子の正負が打ち消し合う。板の、棒に近い側の表面には負の電荷(異種)が現れ、遠い側の表面には正の電荷(同種)が現れる。
手順 4:近い側の負の電荷が受ける引力は、遠い側の正の電荷が受ける斥力より大きい。そのためガラスの板は棒に引き寄せられる。「力を受けない」とするイは誤り。
手順 5:表面の電荷が板の内部につくる電場は外部の電場と逆向きなので、内部の電場は弱まる。しかし電荷は分子内でわずかにずれるだけなので、電場は 0 にはならない。「0 になる」とするエは誤りで、ウが正しい。

答え:

ウ

よくある誤り

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

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