電荷
電子1個の電荷の大きさは1.602176634 × 10⁻¹⁹クーロンなので、1クーロンは電子約6.24 × 10¹⁸個の電荷の大きさに相当します。
こすった風船が壁にくっつくのはなぜ？
風船をウールのセーターでこすると、壁にくっつきます。ラップが器に張りつくことも、乾燥機から出した靴下がシャツにくっつくことも、乾いた髪をとかしたくしが紙切れを引き寄せることもあります。数千年前の人々も、樹脂の化石である琥珀で同じ現象に気づいていました。磨いた琥珀は、わらの切れ端を引き寄せます。electricという語は、琥珀を意味するギリシア語のelektronに由来します。これらはすべて電荷のはたらきで、どの場合も、二つの物質をこすり合わせることで電荷が移動しています。
二種類の電荷
こすった棒で実験すると、電荷にはちょうど二種類あることがわかります。二本のガラス棒を絹でこすり、近づけてつるすと、互いに反発します。二枚の絹の布も反発します。ところが、ガラス棒と絹の布は引き合います。ベンジャミン・フランクリンは、この二種類を正と負と名づけました。規則は簡単です。同じ種類の電荷は反発し、異なる種類の電荷は引き合います。離れるほど力は弱くなるので、風船が壁にくっつくには、壁に触れるか、ほとんど触れるほど近づく必要があります。
電荷はどこから来るのでしょうか。原子には正の電荷をもつ陽子を含む原子核があり、多くの原子核には電荷をもたない中性子も含まれます。その周りに負の電子があります。通常の原子では電子と陽子が同じ数なので、全体の電荷はゼロです。これを電気的に中性といいます。陽子は原子核の中にとどまっていますが、電子の一部は比較的動きやすい状態にあります。こすると、一方の表面から他方へ電子が移ります。琥珀を絹でこすると、琥珀は電子を受け取って負に帯電し、絹は電子を失って正に帯電します。新しく生まれるものはなく、電荷が移るだけです。
電荷の量を表すクーロン
電気量はクーロンという単位で測り、Cと書きます。通常の物質中で単独に取り出せる最小の電荷は陽子1個の電荷で、電気素量eといいます。2019年以降、その値はe = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ Cと厳密に定められています。電子の電荷は−e、陽子は+eです。電子1個の電荷は1クーロンに比べて非常に小さいので、1クーロンに相当する電子は膨大な数になります。1 ÷ (1.602176634 × 10⁻¹⁹) ≈ 6.24 × 10¹⁸です。物体の電荷は必ずeの整数倍になります。3eや1,000,000eはあっても、2.5eにはなりません。物理学では、電荷は量子化されているといいます。
もう一つの規則は電荷の保存です。外部とやり取りのない系では、電荷の合計は変わりません。風船を髪にこすりつけると、風船が得た負の電荷と同じ量だけ、髪は正に帯電します。足し合わせれば、やはりゼロです。こすった風船から粒子同士の衝突まで、この規則に反する例は見つかっていません。
導体と絶縁体
金属では、一部の電子が特定の原子に束縛されていません。この自由電子は金属全体を動き回れるので、電荷が移動しやすくなります。このような物質が導体です。銅、アルミニウム、銀、金はよい導体です。プラスチック、ゴム、ガラス、乾いた空気では、ほぼすべての電子がそれぞれの原子にとどまり、電荷はほとんど移動しません。これらを絶縁体といいます。家庭の電気コードは両方を利用しています。内側の銅は電荷を運び、外側のプラスチックは電荷が手に流れるのを防ぎます。こすって帯電させやすいのは絶縁体です。移した電荷が広がって逃げず、その場所にとどまるからです。
とどまる電荷から、流れる電荷へ
こすった風船は、何かに触れるまで電荷を保ちます。電池はそれとは違い、導線でできた閉じた経路に沿って電荷を動かし続けます。下の回路実験室では、青い点が導線の中を移動する電子を表します。表示には、毎秒何クーロンが電池を通過するかと、それに相当する電子の数が示されます。
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| 電気素量e | 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C（厳密な値） |
| クーロン（C） | 電気量の単位。電子約6.24 × 10¹⁸個分 |
| 同じ種類の電荷 | 反発します |
| 異なる種類の電荷 | 引き合います |
| 電荷の保存 | 孤立した系の電荷の合計は変わりません |
| 導体 | 銅のように自由電子がある物質 |
| 絶縁体 | プラスチックのように電荷がほとんど動かない物質 |
- 電荷には二種類あり、同じ種類は反発し、異なる種類は引き合います。
- こすると電子が移動し、受け取った側は負、失った側は正に帯電します。
- e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C。1 Cは電子約6.24 × 10¹⁸個分です。
- 電荷は保存され、その量はeの整数倍になります。
- 導体には自由電子があり、絶縁体にはありません。
- 正に帯電した棒を、負に帯電した球に近づけます。どうなりますか？
- 引き合います
- 反発します
- 何も起こりません
- 琥珀を絹でこすると負に帯電しました。何が起きたのでしょうか？
- 琥珀が電子を受け取りました
- 琥珀が陽子を受け取りました
- 絹が電子を受け取りました
- 1 Cに相当する電子は何個ですか？10¹⁸個を単位とし、小数第2位まで答えましょう。
- 風船に電子が10¹²個加わりました。電荷の大きさを10⁻⁷ C単位で答えましょう。（小数第2位まで）
- 物体の電荷としてありえないのはどれですか？
- 2.5 e
- 3 e
- −1,000 e
- 風船をこすったとき、髪が+5 nCに帯電しました。風船が得た電荷は？
- −5 nC
- +5 nC
- 0
- よい導体はどれですか？
- 銅
- ゴム
- 乾いたガラス
- プラスチック
- 電気コードの外側がプラスチックなのはなぜですか？
- プラスチックは絶縁体だからです
- プラスチックのほうが電流をよく流すからです
- プラスチックが後で使う電荷を蓄えるからです
- 中性の原子に陽子が6個あります。電子は何個ありますか？
- 6
- 0
- 12
- 3
- 実験室で、毎秒0.5 Cが電池を通過しています。毎秒何個の電子が通過しますか？10¹⁸個を単位とし、小数第2位まで答えましょう。
このコースの出典 (14)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 18.1 Static electricity and charge (amber and the Greek word elektron, like charges repel, glass and silk, Franklin)
- 20.1 Current (I = ΔQ/Δt, 1 A = 1 C/s, truck battery 720 C in 4.00 s, calculator 0.300 mA, conventional current traced to Franklin, drift speed of order 10⁻⁴ m/s, 12-gauge copper wire 2.053 mm, copper density 8.80 × 10³ kg/m³)
- 20.2 Ohm's law (Ohm first showed I ∝ V by experiment, ohmic materials, headlight 12.0 V and 2.50 A = 4.80 Ω, dry person hand to foot about 10⁵ Ω)
- 20.3 Resistance and resistivity (Table 20.1: silver 1.59, copper 1.72, gold 2.44, aluminium 2.65, tungsten 5.6, iron 9.71, nichrome 100, all × 10⁻⁸ Ω·m; headlight cold 0.350 Ω)
- 20.4 Electric power and energy (P = IV = V²/R = I²R, kWh, 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J, 60 W bulb for 1000 h at 12 cents per kWh = $7.20, 15 W CFL)
- 20.6 Electric hazards and the human body (thermal and shock hazards, short circuit 120 V across 0.100 Ω = 144 kW, worn cord 2.00 Ω at 10.0 A = 200 W, fuses and circuit breakers, Table 20.3 shock effects, dry skin 200 kΩ, wet 10.0 kΩ)
- 21.1 Resistors in series and parallel
- 21.2 Electromotive force and internal resistance
- 21.3 Kirchhoff's rules
- 23.8 Electrical safety (three-wire system, earth/ground wire, double insulation, GFI trips above 5 mA)
- NIST CODATA elementary charge 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C exact (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e)
- Safety text is general information, not advice for working on mains wiring. Linda Hall Library, Scientist of the Day: Georg Ohm (lindahall.org/about/news/scientist-of-the-day/georg-ohm, experiments 1825 and 1826 with a compass needle, Die galvanische Kette 1827)
- Smithsonian Libraries, Die galvanische Kette (library.si.edu/digital-library/book/diegalvanischeke00ohmg, first publication of Ohm's law, ridiculed at first)
- IEC 60038:2009 standard voltages (230 V grew out of 220 V and 240 V systems; 220 V still used).
確認日: 2026-10-17