入り口から飛ばしてくるのが電磁気学

みなさん、こんにちは。

第七回は電磁気学の前半についての説明と解説を行っていきたいと思います。

一つ目は電位の定義です。電磁気学において、始めの項目で一番よくわからなくなるポイントです。クーロン力、電場の説明は教える側としても教えやすく、教わる側、つまり生徒としても感覚的に理解しやすいです。しかしながら電位の定義等の話はかなり分かりづらく、かなり教えにくいものなのです。なのでここでは、基礎に立ち返って一から話していきたいと思います。ここで、静電気力による位置エネルギーについてお話します。静電気力のする仕事は、重力がする仕事と同様に途中の経路に関係なく、始点と終点の位置だけで決まります。よって、静電気力も保存力であることがわかります。これより、静電気力も位置エネルギーを考えることができます。ある物体がある点から基準点まで移動するときに静電気力がする仕事を、基準点から見たある点における静電気力による位置エネルギーと呼びます。そして電位とは、そのある点にq(C)の電荷を置いた時に、その電荷の持つ静電気力による位置エネルギーU(J)は、電気量q(C)に比例することより、電荷1Cのあたりの静電気力による位置エネルギーとして、定めたもののことなのです。つまり電位とは、高さのことなのです。ここの定義は問題などで扱う事はそれほどないのですが、大変つまずきやすいポイントです。電位はエネルギーの定義から求めていることに注意しましょう。

二つ目はコンデンサーの電気容量についてです。まず初めにC=εS/dの式について説明します。求め方は、まず電位差とコンデンサーの電場の式を使って、V=Ed=4πkQd/Sとし、Qについて解くと、Q=1/4πk×SV/dとなるのでQ=CVを使って、C=1/4πk×S/dとして1/4πkをεと置くことで求められます。ここにおいて重要なのはS/dの部分です。Sは面積でdは極板間距離を指します。それからすると、コンデンサーの電気容量は面積に比例し、距離に反比例するという事なのです。つまり、コンデンサーの容量を大きくしたければ極板の面積を大きくし、できる限り極板と極板を近づけろという事なのです。この考えはのちのちコンデンサーの合成のところで、合成時の電気容量の考え方として役に立つので必ず理解しておきましょう。また、コンデンサーに誘電体を入れたときの極板の電気量の変化も注意しましょう。スイッチを入れた状態で挿入すると、コンデンサーは電場を保とうとして、電気容量が増えます。この時に比誘電率の話も出てくるので気を付けてください。

電磁気学はポイントが多いので、3回に分けて行いたいとおもいます。次回は電磁気学の中間について説明します。

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