電荷

電荷
正および負の点電荷の電界
一般的な記号	NS
SI単位	クーロン
その他のユニット	電気素量 ファラデー アンペア時
SI基本単位	C =A⋅s
広範囲？	はい
保存されていますか？	はい
寸法	${\ displaystyle {\ mathsf {T}} {\ mathsf {I}}}$

に関する記事
電磁気
電気 磁気 歴史 教科書
静電気 電荷 クーロンの法則 導体 電荷密度 誘電率 電気双極子モーメント 電界 電位 電束 /位置エネルギー 静電放電 ガウスの法則 誘導 インシュレータ 分極密度 静電気 摩擦電気
静磁気 Ampère's law Biot–Savart law Gauss's law for magnetism Magnetic field Magnetic flux Magnetic dipole moment Magnetic permeability Magnetic scalar potential Magnetization Magnetomotive force Magnetic vector potential Right-hand rule
電気力学 Lorentz force law Electromagnetic induction Faraday's law Lenz's law Displacement current Maxwell's equations Electromagnetic field Electromagnetic pulse Electromagnetic radiation Maxwell tensor Poynting vector Liénard–Wiechert potential Jefimenko's equations Eddy current London equations Mathematical descriptions of the electromagnetic field
電気ネットワーク Alternating current Capacitance Direct current Electric current Electrolysis Current density Joule heating Electromotive force Impedance Inductance Ohm's law Parallel circuit Resistance Resonant cavities Series circuit Voltage Waveguides
共変定式化 Electromagnetic tensor (stress–energy tensor) Four-current Electromagnetic four-potential
科学者 Ampère Biot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Henry Hertz Joule Lenz Lorentz Maxwell Ørsted Ohm Ritchie Savart Singer Tesla Volta Weber Poisson
v NS e

電荷は、電磁場に置かれたときに力を発生させる物質の物理的特性です。電荷には、正と負の2つのタイプがあります（通常、それぞれ陽子と電子によって運ばれます）。同様の電荷は互いに反発し、異なる電荷は互いに引き付け合います。正味電荷がないオブジェクトはニュートラルと呼ばれます。帯電した物質がどのように相互作用するかについての初期の知識は、現在、古典電磁気学と呼ばれ、考慮を必要としない問題については依然として正確です。量子効果。

電荷は保存された特性です; 孤立したシステムの正味電荷、つまり正電荷の量から負電荷の量を引いたものは変更できません。電荷は素粒子によって運ばれます。普通の問題では、負電荷は電子によって運ばれ、正電荷が中の陽子によって運ばれる原子核の原子。物質の中に陽子よりも電子が多い場合は負の電荷を持ち、少ない場合は正の電荷を持ち、同じ数の場合は中性になります。電荷は量子化されます; それはと呼ばれる個々の小さな単位の整数倍で来る素電荷、電子、 約 1.602 × 10 ^-19 クーロン、^[1]に自由に存在することができる最小の電荷である（と呼ばれる粒子クォークが小さい電荷を有する、の倍数1/3e、ただし、それらは組み合わせてのみ検出され、常に組み合わされて整数電荷を持つ粒子を形成します）。陽子の電荷は+ eで、電子の電荷は-eです。

電荷は電界を生成します。^[2]移動する電荷も磁場を生成します。^[3]電磁界（電界と磁界の組み合わせ）と電荷の相互作用は、源である電磁（又はローレンツ）力、^[4]の4分の1である基本的な力で物理。荷電粒子間の光子媒介相互作用の研究は、量子電気力学と呼ばれます。^[5]

SIユニット由来の電荷がクーロンフランスの物理学者にちなんで名付けられた（C）シャルル・ド・クーロン。で電気工学、また、使用することが一般的であるアンペア時（AH）を。で物理学と化学、素電荷（使用するのが一般的である電子ユニットなどを）。化学はまた、電子のモルの電荷としてファラデー定数を使用します。小文字の記号qは、多くの場合、料金を示します。

概要

負に帯電した粒子である電子の周りの力線と等電位を示す図。電気的に中性の原子では、電子の数は陽子（正に帯電している）の数に等しく、結果として全体の電荷は正味ゼロになります。

電荷は、電荷を持つ他の物質の存在下で静電引力または反発を示す物質の基本的な特性です。電荷は多くの亜原子粒子の特徴的な特性です。自立粒子の電荷は、電気素量eの整数倍です。電荷は量子化されていると言います。マイケル・ファラデーは、彼の電気分解実験で、電荷の離散的な性質に最初に気づきました。ロバート・ミリカンの油滴実験は、直接この事実を立証し、素電荷を測定しました。粒子の一種であるクォークが発見されました、いずれかの分数電荷を持っている-1/3 または+2/3、しかし、それらは常に積分電荷の倍数で発生すると考えられています。自立型クォークは観測されたことがありません。

慣例により、電子の電荷は負の-eであり、陽子の電荷は正の+ eです。電荷の符号が同じ荷電粒子は互いに反発し、電荷の符号が異なる荷電粒子は引き付けます。クーロンの法則は、静電定量化力の力が彼らの電荷の積に比例し、かつであることを主張することにより2つの粒子間の二乗に反比例し、それらの間の距離の。反粒子の電荷は対応する粒子の電荷と同じですが、符号が逆になります。

電荷肉眼オブジェクトは、それを構成する粒子の電荷の和です。物質は原子でできており、原子は通常同じ数の陽子と電子を持っているため、この電荷は小さいことがよくあります。その場合、それらの電荷は相殺され、正味の電荷はゼロになり、原子は中性になります。

イオンは、それに正味の正電荷（カチオン）を与えて、一個の以上の電子を失った、またはそれはそれを正味の負電荷（アニオン）を与えて、一個の以上の電子を獲得している原子（または原子群）です。単原子イオンは単一の原子から形成されますが、多原子イオンは互いに結合した2つ以上の原子から形成され、それぞれ正または負の正味電荷を持つイオンを生成します。

正電荷によって誘導される電界（左）と負電荷によって誘導される電界（右）。

巨視的な物体の形成中に、構成原子とイオンは通常結合して、中性原子に電気的に結合した中性イオン性化合物で構成される構造を形成します。したがって、巨視的なオブジェクトは全体的に中立になる傾向がありますが、巨視的なオブジェクトが完全に正味中立になることはめったにありません。

巨視的なオブジェクトには、材料全体に分布し、所定の位置にしっかりと結合されたイオンが含まれている場合があり、オブジェクトに全体的な正味または負の電荷を与えます。また、導電性要素で作られた巨視的な物体は、多かれ少なかれ（要素に応じて）電子を吸収または放出し、その後、正味の負または正の電荷を無期限に維持することができます。物体の正味電荷がゼロ以外で静止している場合、その現象は静電気として知られています。これは、琥珀を毛皮でこすったり、ガラスを絹でこすったりするなど、2つの異なる材料をこすり合わせると簡単に作成できます。。このようにして、非導電性材料は、正または負のいずれかでかなりの程度まで帯電する可能性があります。一方の材料から取られた電荷はもう一方の材料に移動し、同じ大きさの反対の電荷を残します。電荷保存の法則が常に適用され、負の電荷が取得されるオブジェクトに同じ大きさの正の電荷が与えられ、その逆も同様です。

オブジェクトの正味電荷がゼロの場合でも、電荷はオブジェクト内に不均一に分布する可能性があります（たとえば、外部電磁界、または結合した極性分子のため）。このような場合、オブジェクトは偏光していると言われます。分極による電荷は束縛電荷と呼ばれ、物体の外側から得られた、または失われた電子によって生成された物体の電荷は自由電荷と呼ばれます。導電性金属内の特定の方向への電子の動きは、電流として知られています。

単位

電荷量のSIから導出された単位は、クーロン（記号：C）です。クーロンを通過する電荷の量として定義される断面の電気導体1搬送アンペアのいずれかの第二。^[6]この単位は1946年に提案され、1948年に批准されました。^[6]現代の慣習では、「電荷の量」の代わりに「電荷の量」というフレーズが使用されます。^[7]小文字の記号qは、電気または電荷の量を表すためによく使用されます。電荷量は電位計で直接測定できます、または衝撃検流計で間接的に測定されます。

1電子の電荷量（電気素量）は、SI単位系の基本定数として定義されます（2019年5月20日から有効）。^[8]電気素量の値は、電荷のSI単位（クーロン）で表される場合、正確に 1.602 176 634 × 10 ^-19  C ^[1]。^[8]

電荷の量子化された特性を見つけた後、1891年にジョージストーニーはこの基本的な電荷の単位として「電子」の単位を提案しました。これは、1897年にJJトムソンによって粒子が発見される前のことでした。この単位は、今日、電気素量、基本電荷単位、または単にeと呼ばれています。大規模では電荷が実際の量として振る舞うように見える場合でも、電荷の尺度は電気素量eの倍数でなければなりません。状況によっては、料金の一部について話すことは意味があります。たとえば、コンデンサの充電、または分数量子ホール効果。

単位ファラデーは、電気化学で使用されることがあります。1ファラデーの電荷は、1モルの電子の電荷の大きさです^[9]、つまり96485.33289（59）Cです。

cgsなどのSI以外の単位系では、電荷は3つの基本量（長さ、質量、時間）のみの組み合わせとして表され、電荷が長さ、質量、時間、および電流。^{[10] [11]}

歴史

クーロンのねじり天秤

人々は古くから、電荷の概念を使用して説明される4種類の現象に精通していました。（a）雷、（b）魚雷（またはシビレエイ）、（c）セントエルモの火、 （d）琥珀を毛皮でこすると、小さくて軽い物体を引き付ける。^[12]琥珀色の効果の最初の説明は、多くの場合、cから住んでいた古代ギリシャの数学者タレスオブミレトゥスに起因します。 624 –c。紀元前546年ですが、タレスが文章を残したかどうかについては疑問があります。^[13]琥珀についての彼の説明は、200年代初頭の説明から知られています。^[14]この説明は、少なくともc以降この現象が知られている証拠と見なすことができます。紀元前600年、しかしタレスはこの現象を魂を持っている無生物の証拠として説明しました。^[14]言い換えれば、電荷の概念の兆候はありませんでした。より一般的には、古代ギリシャ人はこれらの4種類の現象の関係を理解し​​ていませんでした。ギリシャ人は、帯電した琥珀色のボタンが髪の毛などの軽い物体を引き付ける可能性があることを観察しました。彼らはまた、琥珀を十分長くこすると、電気火花が跳ね上がる可能性があることを発見しました^[要出典]が、電気火花についての言及は17世紀後半まで現れなかったという主張もあります。^[15]この特性は、摩擦電気効果に由来します。 1100年代後半に、石炭の圧縮形態である物質ジェットが琥珀色の効果を持つことが注目され^[16]、1500年代半ばにジローラモフラカストロはダイヤモンドもこの効果を示すことを発見しました。^[17]この現象の説明を開発するために、フラカストロや他の人々、特にジェロラモ・カルダーノによっていくつかの努力がなされた。^[18]

対照的に天文学、力学、および光学古代から定量的に研究された、継続的な定性および電気的現象に定量的研究の開始の出版物でマークすることができるデMagnete英語の科学者によってウィリアム・ギルバート1600で^[19]本書では、ギルバートは、以前の理論の多くに対処する上で（彼はそれを呼ばれると）琥珀色の効果に戻って小さなセクションがあった^[18]と造語新ラテン語エレクトリカ（からἤλεκτρον（エレクトロン）、ギリシャ語で以下のための琥珀）。ラテン語は電気として英語に翻訳されました。^[20]ギルバートも用語と信じて電気用語ながら、電気が後に来た最初のサーに起因する、トーマス・ブラウン彼にPseudodoxia Epidemica 1646から^[21]複数の言語の詳細については、（参照電力の語源を。）ギルバートは、この琥珀色の効果は、他の物体に作用する休止期（電気物体から流れる粒子の小さな流れで、そのかさや重量を減らさない）によって説明できると仮定しました。休止期脱毛症のこの考えは、17世紀と18世紀に影響を及ぼしました。これは、18世紀に「電気流体」（デュファイ、ノレット、フランクリン）と「電荷」について開発されたアイデアの前身でした。^[22]

1663年頃、オットーフォンゲリッケはおそらく最初の静電発電機を発明しましたが、彼はそれを主に電気機器として認識せず、最小限の電気実験しか実施しませんでした。^[23]他のヨーロッパの先駆者は、1675年に電気現象のみに専念した最初の本を英語で出版したロバート・ボイルでした。^[24]彼の仕事は主にギルバートの研究の繰り返しでしたが、彼はさらにいくつかの「電気」を特定し^[25]、2つの物体間の相互引力に注目しました。^[24]

1729年、スティーブングレイは、ガラス管を使用して生成した静電気を実験していました。彼は、ほこりや湿気からチューブを保護するために使用されていたコルクも帯電（帯電）していることに気づきました。さらなる実験（例えば、細い棒をコルクに入れることによってコルクを伸ばす）は、電気流出物（グレイがそれを呼んだように）が離れた場所に伝わる（伝導される）ことができることを初めて示しました。グレイは、より糸（765フィート）とワイヤー（865フィート）で電荷を伝達することができました。^[26] これらの実験を通じて、グレイは、電気的流出物の伝導を促進または妨害するさまざまな材料の重要性を発見しました。 ジョン・テオフィラス・デサグリエグレイの実験の多くを繰り返した、は、これらの実験におけるさまざまな材料の効果を指すために、導体と絶縁体という用語を作り出したと考えられています。^[26]グレイはまた、電気誘導（すなわち、直接の物理的接触なしに電荷が1つの物体から別の物体に伝達される可能性がある場所）を発見しました。たとえば、彼は、帯電したガラス管を糸で支えられた鉛の塊に近づけますが、触れないことで、鉛を帯電させることができることを示しました（たとえば、真ちゅうのやすりを引き付けてはじく）。^[27]彼は、電気流出の考えでこの現象を説明しようとした。^[28]

グレイの発見は、電荷に関する知識の歴史的発展に重要な変化をもたらしました。電気的流出物がある物体から別の物体に移動する可能性があるという事実は、この特性が摩擦によって帯電した物体に不可分に接続されていないという理論的可能性を開きました。^[29] 1733年シャルル・フランソワ・デュ・フェ灰色の仕事に触発さは、（に報告された実験の一連製「MémoiresデLアカデミーロワイヤルデ科学を擦ることによって『帯電多かれ少なかれ全ての物質ができることを示します）』、金属と流体を除いて^[30]、電気は互いに打ち消し合う2種類であると提案し、2流体理論で表現しました。^[31]ガラスを絹でこすったとき、デュ・フェイはガラスがガラス質の電気で充電され、琥珀が毛皮でこすられたとき、琥珀は樹脂の電気で充電されたと言った。現代の理解では、正電荷は現在、絹の布でこすった後のガラス棒の電荷として定義されていますが、どのタイプの電荷が正と呼ばれ、どのタイプが負と呼ばれるかは任意です。 ^[32]この時からのもう一つの重要な二流体理論は、ジャン＝アントワーヌ・ノレット（1745）によって提案された。 ^[33]

1745年頃まで、電気の引力と斥力の主な説明は、帯電した物体が休止期を発するという考えでした。^[34]ベンジャミン・フランクリンは1746年後半に電気実験を開始し^[35]、1750年までに、こすったガラスが布と同じであるが反対の電荷強度を受け取ることを示した実験に基づいて、電気の1流体理論を開発しました。ガラスをこするために使用されます。^{[35] [36]}フランクリンは、電気があらゆる物質に存在する一種の目に見えない流体であると想像しました。例えば、彼はそれがあったと信じガラスでライデン瓶累積料金を保持しました。彼は、絶縁面をこすり合わせるとこの流体の位置が変化し、この流体の流れが電流を構成すると仮定しました。彼はまた、物質に過剰な流体が含まれている場合は正に帯電し、不足している場合は負に帯電していると主張しました。彼は、硝子体電気で陽性という用語を特定し、陰性という用語を特定しました海外の同僚ピーター・コリンソンから受け取ったガラス管で実験を行った後、樹脂の電気で。実験では、参加者Aがガラス管を充電し、参加者Bが充電された管からナックルに衝撃を与えました。フランクリンは、チューブにショックを受けた後、参加者Bが正に帯電していることを確認しました。^[37]ウィリアム・ワトソンが独立して同じ時期（1747年）に同じ一流体の説明に到達したかどうかについては、いくらかのあいまいさがあります。ワトソンは、コリンソンへのフランクリンの手紙を見た後、1747年春にフランクリンと同じ説明をしたと主張している。^[38]フランクリンは、彼自身の実験と分析を行う前に、ワトソンの作品のいくつかを研究していました。これは、フランクリン自身の理論化にとっておそらく重要でした。^[39]ある物理学者は、ワトソンが最初に一流体理論を提案し、それをフランクリンがさらに、より影響力を持って詳しく説明したことを示唆している。^[40]科学の歴史家は、ワトソンが彼の考えとフランクリンの考えの微妙な違いを見逃したため、ワトソンは彼の考えをフランクリンの考えに類似していると誤解したと主張している。^[41]いずれにせよ、ワトソンとフランクリンの間に敵意はなく、1747年初頭に策定された電気的作用のフランクリンモデルは、最終的にその時点で広く受け入れられるようになった。^[39]フランクリンの仕事の後、流出物に基づく説明が提唱されることはめったになかった。^[42]

フランクリンモデルが根本的に正しいことが今では知られています。電荷の種類は1つだけで、電荷量を追跡するために必要な変数は1つだけです。^[43]

1800年までは、静電放電を使用して電荷の伝導を研究することしかできませんでした。1800年、アレッサンドロボルタは、閉じた経路で電荷を連続的に維持できることを最初に示しました。^[44]

1833年、マイケルファラデーは、電気の生産元に関係なく、電気が同一であるという疑いを取り除くことを目指しました。^[45] 彼は、一般的な電気（例、静電気、圧電性、磁気誘導）、ボルタ電池（例、ボルタ電池からの電流）、および動物の電気（例、 生体電気）として特徴づけられるさまざまな既知の形態について議論しました。。

1838年、ファラデーは電気が流体なのか流体なのか、それとも重力のような物質の性質なのかという疑問を提起しました。彼は、物質が他とは独立してある種類の電荷で充電できるかどうかを調査しました。^[46]彼は、ある物体を別の物体に反対の電荷を持たずに充電することはできないため、電荷は2つ以上の物体間の関係であるという結論に達しました。^[47]

1838年、ファラデーは電気力の理論的説明も発表しましたが、電気力が1つ、2つ、またはまったく流体に由来しないかどうかについて中立性を表現しました。^[48] 彼は、粒子の通常の状態は非分極化されるべきであり、分極化されると、粒子は自然の非分極化状態に戻ろうとするという考えに焦点を合わせた。

電気力学への場の理論的アプローチの開発（1850年代半ばから）において、ジェームズクラークマクスウェルは、電荷を物体に蓄積する特殊な物質と見なすことをやめ、場のエネルギー変換の結果としての電荷を理解し始めます。 。^[49]この量子前の理解は、微視的レベルでさえ、電荷の大きさを連続的な量であると見なした。^[49]

静電気における電荷の役割

静電気とは、平衡状態にない2つの物体が集まったときの、物体の電荷とそれに関連する静電放電のことです。静電放電により、2つのオブジェクトのそれぞれの電荷が変化します。

摩擦による帯電

ガラス片と樹脂片（どちらも電気的特性を示さない）を一緒にこすり合わせ、こすった表面を接触させたままにした場合でも、電気的特性はありません。分離されると、それらは互いに引き付け合います。

2番目のガラスを2番目の樹脂でこすり、次に分離して前のガラスと樹脂の近くに吊るすと、次の現象が発生します。

• 2枚のガラスは互いに反発します。
• ガラスの各部分は、樹脂の各部分を引き付けます。
• 2つの樹脂は互いに反発します。

この観光名所と反発があり、電気的な現象、およびそれらを呈する体ができると言われている電化、または帯電しました。物体は、摩擦だけでなく、他の多くの方法で帯電する可能性があります。2枚のガラスの電気的特性は互いに似ていますが、2枚の樹脂の電気的特性とは反対です。ガラスは樹脂がはじくものを引き付け、樹脂が引き付けるものをはじきます。

何らかの方法で帯電した物体がガラスのように振る舞う場合、つまりガラスをはじいて樹脂を引き付ける場合、その物体はガラス質に帯電していると言われ、ガラスを引き付けて樹脂をはじくと言われます。ことresinously電化。すべての電化された物体は、ガラス質または樹脂的に電化されています。

科学界で確立された慣習では、硝子体の帯電を正、樹脂の帯電を負と定義しています。2種類の電化の正反対の特性は、反対の符号でそれらを示すことを正当化しますが、正の符号を他の種類ではなく一方に適用することは、恣意的な慣習の問題と見なす必要があります。右手に向かって正の距離を計算するための数学の図式の慣習。

帯電した物体と帯電していない物体との間には、引力または反発力のいずれの力も観察できません。^[50]

電流における電荷の役割

電流は、物体を通る電荷の流れであり、電荷の正味の損失または増加を生成しません。最も一般的な電荷キャリアは、正に帯電した陽子と負に帯電した電子です。これらの荷電粒子のいずれかの動きが電流を構成します。多くの場合、従来の電流の方向に移動する正の電荷によって運ばれるのか、反対の方向に移動する負の電荷によって運ばれるのかに関係なく、従来の電流について話すだけで十分です。この巨視的な視点は、電磁気の概念と計算を単純化する近似です。

反対に、微視的な状況を見ると、電流を運ぶ方法はたくさんあります。正の粒子のように機能する正孔の流れ。電解液またはプラズマ中を反対方向に流れる負および正の粒子（イオンまたは他の荷電粒子）の両方。

金属線の一般的で重要なケースでは、従来の電流の方向が実際の電荷キャリアのドリフト速度と反対であることに注意してください。つまり、電子。これは初心者にとって混乱の原因です。

電荷保存則

隔離されたシステムの総電荷は、システム自体の変化に関係なく一定に保たれます。この法則は、物理学で知られているすべてのプロセスに固有のものであり、波動関数のゲージ不変性から局所的な形で導き出すことができます。電荷の保存により、電荷-電流の連続の方程式が得られます。より一般的には、変化率電荷密度ρ統合の体積内のVは、上領域積分に等しい電流密度J閉曲面を介してS =∂ V順番にあり、ネットに等しい電流I：

${\ displaystyle-{\ frac {d} {dt}} \ int _ {V} \ rho \、\ mathrm {d} V =}$ ${\ displaystyle \ scriptstyle \ partial V}$ ${\ displaystyle \ mathbf {J} \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {S} = \ int J \ mathrm {d} S \ cos \ theta = I.}$

したがって、連続の方程式で表される電荷​​の保存により、次の結果が得られます。

${\ displaystyle I =-{\ frac {\ mathrm {d} q} {\ mathrm {d} t}}。}$

時間の間に転送された料金 ${\ displaystyle t _ {\ mathrm {i}}}$ と ${\ displaystyle t _ {\ mathrm {f}}}$ 両側を統合することによって得られます：

${\ displaystyle q = \ int _ {t _ {\ mathrm {i}}} ^ {t _ {\ mathrm {f}}} I \、\ mathrm {d} t}$

ここで、Iは閉じた表面を通る正味の外向き電流であり、qは表面によって定義された体積内に含まれる電荷です。

相対論的不変性

電磁気学に関する記事に記載されている特性は別として、電荷は相対論的 不変量です。これは、電荷qを持つ粒子は、移動速度に関係なく同じ電荷を持つことを意味します。この特性は、1つのヘリウム 原子核（2つの陽子と2つの中性子が核内で結合し、高速で動き回る）の電荷が2つの重水素原子核（1つの陽子と1つの中性子が結合する）と同じであることを示すことによって実験的に検証されています。ヘリウム原子核にある場合よりもはるかにゆっくりと移動します）。^{[51] [52] [53]}

も参照してください

• SI電磁気ユニット
• カラーチャージ
• 部分電荷

参考文献

外部リンク

• ウィキメディアコモンズの電荷に関連するメディア
• 電荷はどれくらい速く減衰しますか？