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はく検電器のはたらき

帯電体を近づける・金属板に指で触れる(接地する)・指をはなす・帯電体を遠ざける、という操作の順序に応じて、はく検電器の各部の電荷の符号と、はくが開くか閉じるかを判定できる

前提

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説明

はく検電器は、金属板・金属棒・2枚の薄い金属はくをつないだ一つの導体で、はくの開き方から物体が帯電しているかどうかを調べる道具です。この技能を使うと、「帯電体を近づける → 金属板に指で触れる → 指をはなす → 帯電体を遠ざける」といった操作の一つ一つについて、金属板とはくの電荷の符号と、はくが開くか閉じるかを判定できます。検電器を帯電させる手順(誘導による帯電)や、帯電した検電器に帯電体を近づけたときの変化を考える場面で使います。

なぜそうしてよいのか

はくが開くのは、2枚のはくが同じ符号の電荷をもち、クーロンの法則による斥力で反発し合うからです。はくが電荷をもたなければ、はくは重力で垂れ下がって閉じます。つまり「はくが開いている ⇔ はくに電荷がある」と読みかえられます。検電器は金属板からはくまでつながった一つの導体なので、帯電体を金属板に近づけると静電誘導が起こり、帯電体に近い金属板には帯電体と異種の電荷、遠いはくには同種の電荷が現れます。このとき動くのは自由電子だけで、検電器全体の電気量は変わりません。

金属板に指で触れると、人体と地面(大地)を通して、検電器はとても大きな導体とつながります(接地)。すると、帯電体から斥力を受けている同種側の電荷を担う電子が地面へ逃げる(帯電体が正なら、地面から電子が入ってくる)ことで、はくの電荷は 0 になります。一方、金属板の異種の電荷は帯電体に引きつけられているので、その場に残ります。この段階で、電子の出入りにより検電器全体の電気量は 0 ではなくなります。

指をはなすと地面への通り道がなくなり、電気量保存の法則により検電器全体の電気量はもう変わりません。そのあと帯電体を遠ざけると、金属板に引きとめられていた異種の電荷を引きつけるものがなくなり、同種の電荷どうしの斥力で導体全体に広がるので、はくにも電荷が行き渡ってはくが開きます。こうして検電器は、近づけた帯電体と異種の電荷に帯電します。

手順

  1. はじめの状態を確認する。帯電していない検電器なら、金属板もはくも電荷 0 で、はくは閉じている。

  2. 帯電体を金属板に近づけたら、静電誘導で金属板に帯電体と異種、はくに同種の電荷が現れる。はくは同種の電荷で反発して開く(例:負の帯電体なら、金属板が正、はくが負)。

  3. 金属板に指で触れたら(接地)、帯電体に反発される側の電荷が地面へ逃げる(負の帯電体なら電子が地面へ出ていき、正の帯電体なら地面から電子が入る)。はくは電荷 0 になって閉じ、金属板の異種の電荷は帯電体に引かれて残る。

  4. 指をはなしても、帯電体がそばにある間は電荷の配置は変わらず、はくは閉じたまま。検電器全体は帯電体と異種の電荷をもっている。

  5. 帯電体を遠ざけたら、金属板に残っていた異種の電荷が検電器全体に広がり、はくも異種に帯電して開く。

例題

帯電していないはく検電器の金属板に、負に帯電したエボナイト棒を近づけた。次に、棒を近づけたまま金属板に指で触れ、その後指をはなし、最後に棒を遠ざけた。最後の状態のはく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 はくは負に帯電して開いている。
イ はくは正に帯電して開いている。
ウ はくは帯電しておらず、閉じている。
エ はくは正に帯電しているが、閉じている。

例題の解答

手順 1:はじめ検電器は帯電しておらず、はくは閉じている。
手順 2:負の棒を近づけると、静電誘導で自由電子が棒から遠いはくへ移り、金属板は正、はくは負になる。はくは負どうしで反発して開く。
手順 3:指で触れると、棒に反発されているはくの電子が、指・人体を通って地面へ逃げる。はくは電荷 0 になって閉じ、金属板の正の電荷は棒に引かれて残る。
手順 4:指をはなすと、電子の出入りの道がなくなる。棒が近くにあるので配置は変わらず、はくは閉じたまま。検電器全体は、逃げた電子の分だけ正に帯電している。
手順 5:棒を遠ざけると、金属板の正の電荷を引きとめていたものがなくなり、正の電荷が検電器全体に広がる。はくも正に帯電し、正どうしで反発して開く。
よって、はくは正に帯電して開いているので、正しいのはイである。

答え:

イ

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。

入口の問題

この技能を使う問題