「高等学校物理/物理II/電気と磁気」の版間の差分

この章では、[[w:電気]]と[[w:磁気]]が関わる現象を扱う。電気と磁気は1900年代の中頃にその現象の全貌が明らかにされ、それ以降多くの応用を生み出して来きた。詳しくは[[w:マクスウェルの方程式]]などを参照。現代の技術のほとんどは電磁気に関する技術を用いている。例えば[[w:自動車]]、[[w:電子レンジ]]、[[w:テレビ]]、[[w:計算機]]などである。一方、理論的な立場から言えば、我々の身体を形作っている[[w:たんぱくタンパク質]]や[[w:脂肪]]もなんらかの形で電磁気力を用いて結合している場合が多く、我々の世界で電磁気力に関連するしない現象でないものはほとんど存在しないといえる。そういった意味では、電磁気力は我々の存在そのものを司っている力といえる。また、電磁気力はそのように広い応用範囲と様々な現象を司っているにも関かかわらず、その現象を記述する式が比較的単純であることでも知られている。ここでは、それらの力の記述方法を見ていく。

電磁気力を記述する重要な量として、[[w:電界]]と[[w:磁界]]の2つがあ挙げられる。電磁気力は通常電気力と磁気力の2種類の異なって見える力から構成されている。特に電気力を媒介するものが電界であり、磁気力を媒介するものは磁界と呼ばれる。電界と磁界には共通点も多いが、それらの発生の方法など異なった部分も多い。ここでは、最初の章で電気力が関連する現象を見ていき、次の章で磁気力が関連する現象を見ていく。

一口に電気と行言ってもその現われ方は様々であり、その現象の全貌を述べることは簡単ではない。ここでは、電気のうちで特に簡単に観測が可能な現象から取扱って行いく。種々の観測によると、電気は単独で存在する事ことはなく、常に何らかの微細な粒状の物体の性質として、振舞っていることが知られている。特にこの中でもっと最も小さい電気の単位を[[w:素電荷気素量]]（素電荷）と呼ぶ。この量は極めて小さいため、通常我々の目には電気は連続的に存在するように見える。

電気を持った微細な物体は通常の方法で観測することは出来できないが、ある物体がまわりよりも多くの素電荷を持っていたとすると、そのことは簡単に観測することが出来できる。これは、素電荷は質量のある物体どうしにおたが互いに力をおよ及ぼし合う関係があり、その力は容易に観測が可能なものであるからである。実際には素電荷には2種類の符合号を持つものがあり、それらは異符号のものは互いに引き合い、同符号のものは互いに反発し合うことが実験的に知られている。このように素電荷のある量の集まりであり、物体のまわりに蓄積されるものを[[w:電荷]]と呼ぶ。電気力によって反発しあったり、引きつけあったりする物体を'''電荷を持つ'''物体と呼ぶ。また、ここで観察される力を、[[w:クーロン力]]と呼ぶことがある。

これらの電荷を持った物体間に働く力の大きさは、物体間の距離と簡単な関係を持っていることが知られている。実験的には、電荷の間に働く力は、重力の場合と同様に力をおよ及ぼし合う2物体の間の距離の2乗に[[w:反比例]]することが知られている。更に、電荷の大きさが大きいほど電荷間に働く力が大きいことも考慮すると、電荷<math>q _1</math>,<math>q _2</math>を持っているお互いの間の距離rの2物体の間に働く力は、

で与えられる。ここで、<math>\epsilon _0</math>は真空の[[w:誘電率]]と呼ばれる物理定数であり、値は??<math>8.854\times 10^{-12}</math>[F/m]である。

既に、ある電荷の回まわりの電荷には、その電荷からの距離の逆2乗に比例した力がかかることを述べた。電荷が複数ある場合には、実際に新たに置かれた電荷が受ける力は、それらを足し合わせたものとなる。

ここで、ある電荷が受ける力は、その電荷が持つ電荷がの大きさに比例することを合わせて考えると、その電荷の大きさに関かかわらず、回まわりの電荷の大きさだけで決まる量を導入しておくと都合がよい。ここで、そのような量として[[w:電界]]を導入する。このとき、電界<math>\vec E</math>の中にある電荷<math>q</math>に働く力<math>\vec f</math>は、

上のクーロン力の結果と合わせると、回まわりに電荷が存在しないとき、<math>q</math>の電荷がまとう電界<math>\vec E</math>は、

[[w:重力]]を扱ったとき、重力に対する[[w:位置エネルギー]]を定義した。ここで、クーロン力に対しても位置エネルギーを定義することができる。クーロン力も重力の場合と同様に逆2乗力なので、クーロン力に対する位置エネルギーも、重力の場合と同様に定義できる。ただし、クーロン力に対して電界を定義したのと同様、位置エネルギーに対してもエネルギーを計算する、物体が持つ電荷の大きさを省いて、量を定義できる量を導入すると都合がよい。このような量を[[w:電位]]と呼ぶ。

[[中学校理科]]では。基本的な電気回路について扱った。ここで、電界、電位などの知識を用いて、新たな[[w:回路素子]]である[[w:コンデンサ]]を導入する。

具体的に電圧をかけられたとき、内部に電荷を蓄えるようにするには、例えば'''導体の平面を2枚向かい合わせるようにする'''の方法がある。この方法では、向かい合った平面間に一様な電界が生じるように、2枚の平面に同じ大きさで符号が逆の電荷が蓄積される。このコンデンサの静電容量Cは、

で与えられる。この式については、計算に[[w:マクスウェルの方程式]]が必要である。詳しくは[[電磁気学]]を参照。電界が求められたので、ここから電位を計算できる。導体間の各点で電界の大きさが等しいので、電位の大きさは電界の大きさに電界が存在する距離をかけたものになる。詳しくは電位の定義を参照。ここで、電位Vは、

磁石の回まわりには物体を動かす力のあるものが生じている。

電流が流れているときにも、その回まわりには、[[w:右ねじの法則]]に従う向きに磁界が生じる。

\vec B = \frac {\mu_0} {2\pi a} I \vec e_\theta

(ここで、aは磁束密度を測る点と、電線の距離。)

磁場を伴う物体が運動すると、その回まわりには電場が生じる。

磁場の動きによって電場が引き起こされることを電磁誘導のセクションで見た。

セクションで見た。実際には電場の変化によって磁場が引き起こされることも知られている。