導体内の電界について

このQ&Aのポイント
  • 導体内の電界が0とされるのは、自由電子が導体の内部を動いてプラスとマイナスに帯電し、電界が打ち消しあっているためです。
  • しかし、微小な金属片を使って電界を無限大に強くした場合、自由電子がすべて完全に移動し終えると導体内にも電界が発生する可能性があります。
  • 電界の強さは、電子や陽子の数によって決まります。電子一個と陽子一個によって作られる電界の強さと、電子100個と陽子100個によって作られる電界の最大の強さは同じです。
回答を見る
  • ベストアンサー

導体内の電界について

物理で導体(金属)の内部の電界は0になるということを教わりました。 どんな強さの電界内にあっても自由電子が導体の内部を動いてプラスとマイナスに帯電し、電界が打ち消しあって0になるというような説明だったのですが、自由電子がすべて完全に移動し終えてしまったら(微小な金属片を使って、電界を無限大に強くしたら)、導体内にも電界ができるんじゃないでしょうか。それでもやはり電界が0であるなら、(極端にいうと、電子一個と陽子一個によって作られる電界の強さと、電子100個と陽子100個によって作られる電界の最大の強さが同じなら)、電界の強さは何で決まるものなのでしょうか。今日習ったばかりであまり理解できていませんがよろしくお願いします。

  • ktdg
  • お礼率54% (85/156)

質問者が選んだベストアンサー

  • ベストアンサー
  • Quarks
  • ベストアンサー率78% (248/317)
回答No.3

>自由電子がすべて完全に移動し終えてしまったら(微小な金属片を使って、電界を無 >限大に強くしたら)、導体内にも電界ができるんじゃないでしょうか。 はい、そのとおりです。 >どんな強さの電界内にあっても自由電子が導体の内部を動いてプラスとマイナスに >帯電し、電界が打ち消しあって0になる この"説明"には、暗黙の前提があります。 外部電場の強さが、導体の内部に有る自由電子の移動で打ち消せないほど強くはない範囲で、ということです。 言い換えると、(特殊な場合を除けば)導体とは、  外部電場を打ち消すのに必要十分な量の自由電子を持っている物体 のことだ、と受け取りなさいということです。 何事にも、適用可能な範囲というものはあるもので、野放図に拡大解釈するとおかしなことになることがあるので要注意ということです。

ktdg
質問者

お礼

ありがとうございます。

その他の回答 (3)

回答No.4

No.2です。 他の回答に惑わされないでください。 電磁気学は電荷が大きさを持たない点電荷、導体は無限に自由電子を持つ等の"仮定"をした上で積み上げられた理論です。 実際の現象で説明できない部分を補うように量子力学や素粒子物理学ができたように、実際の現象に適用する際は、適宜この仮定を再考する必要があります。

回答No.2

いやいや、電磁気学でいう導体は無限に自由電子を持ちます。 実際を考えると、自由電子がすべて表面に集まったら、導体内部に電界を生じ、充満帯にある電子を励起してさらに分極を促します。 やがて励起電子の再結合過程による熱に耐えきれなくなり、導体を破壊(絶縁破壊)を起こします。

ktdg
質問者

お礼

ありがとうございます。

回答No.1

ちょっと計算してみました。 厚さ1mm の金属の自由電子を全て金属表面に集めると、 金属の表面の電界は 銅の場合 1.5 x 10^18 V/m 大雑把な計算ですがこれくらいの電界が必要だと思います。 #その前に絶縁破壊すると思いますが・・・

ktdg
質問者

お礼

ありがとうございます。

関連するQ&A

  • 導体内部の電界が0になる説明

    物理の勉強をしている社会人です。 物理の教科書には、導体の内部は電界が0になると書いてありますが、その説明がありません。ネットでも当然のことのように書かれており、具体的な説明がみつかりません。わかりやすく説明していただけると大変ありがたいのですが・・・ 特に、ドーナツ型の導体の場合、表面(外側)がプラスに帯電した場合は、内側の方はマイナスになるのでは?と単純に思うのですが、どうなのでしょうか?

  • 導体から自由電子が放出されるエネルギー

    導体の境界面に垂直に電界を加え、電界の強さを徐々に大きくするとある強さを超えると導体から自由電子が飛び出します。更に、電界を強くすると電界の強さの増加に比例して飛び出す自由電子の量は、増加します。ってのは、正しいのでしょうか?(とりあえず、閉じた電路の一部分が切れていてその間が真空だとしてください) また、空間に独立して漂う導体に同じように電界を加えた場合、導体から自由電子が損失していくことになるのでしょうか?外部からの補給がなければ放出されないのでしょうか?放出後の導体はプラスに帯電することになるのでしょうか?(電子分極による帯電と同じ現象が生じる) 質問が支離滅裂ですみませんが、宜しくお願い致します。

  • 誘電分極による不導体内部の電界(電場)の向き

    誘電分極による不導体内部の電界(電場)の向き 右向きの一様な電界の中に不導体を置くと、誘電分極が起きて、各分子内で (-+)(-+)(-+)(-+) (-+)(-+)(-+)(-+) (-+)(-+)(-+)(-+) という電荷の偏りが生じ、 これにより、不導体内部では左向きに電界が生じ、外部からの電界を少し弱める、 と高校の授業で習いました。 でもよく考えると、どうして不導体内部で左向きに(外部の電界を打ち消そうとする向きに)電界が生じるのでしょうか? 導体の静電誘導だったら、電子が導体内部で極端に左に偏るから、導体内部で左向きに電界が生じるのも納得なのですが、 上図のような不導体の誘電分極だと、見方によっては右向きに電界が生じると見えなくもないのでは? 磁石だったら、+をN、-をSとすると、磁界は右向きですよね? 上図のように分極した時、何故電界が左向きになるのか、教えてください。

  • 不導体が帯電している状態とは?

    不導体が帯電している状態とは どのような状態になるのでしょうか? 導体の場合は電子やイオンなどの受け渡しによって +に帯電したり-に帯電したりすると思うのですが、 自由に移動できる電子などがない不導体のときは、 どのようにして+または-に帯電するといえるのでしょうか? また、不導体が誘電分極している状態において、その不導体は 全体として帯電していないと考えているのですが、 この考えは正しいのでしょうか? よろしくお願いします。

  • 高校物理、電荷の移動

    プラスに帯電した帯電体を金属棒に近づけると、近づけられた部分は金属の自由電子が移動して、マイナスに帯電します。 反対に、そのほかの部分はプラスに帯電する。 手を近づけると、手から、マイナスの電荷が移動し、金属のプラスに帯電した部分からプラスの電荷が手に移動するそうです。 (疑問) 手を近づけると、手から、マイナスの電荷が移動し、金属のプラスに帯電した部分からプラスの電荷が手に移動するのはなぜでしょうか?

  • 静電誘導です・・

    「導体の内部には自由電子があるため導体を電界内に置くと、自由電子が電界から力を受けて移動する。導体内に電界がある限り、自由電子は静電気力を受けて移動し続けるが、導体の端にたまった電荷は、今度はそれ自身が逆向きの電界をつくるようになる。こうして導体内の合成電界が0になるまで電荷の移動がおこなわれる。」の「導体内に電界がある限り」というのが・・いみがわからないのです・・どういうことなのでしょうか・・??教えてください!!

  • イオン

    「固体電解質は外部から加えられた電場によってイオン(帯電した物質)を移動させることができる固体。...... 金属や半導体は主として電子の移動によって電気が流れるのに対して、固体電解質は主としてイオンの移動によって電流が流れる。」 イオンとは何でしょうか。 イオンについて「正または負に帯電した原子または原子団」 「正に帯電したイオンを陽イオン、また...」と書いてありました。 「ファラデーが電界に際して電極に向かって移動するものがあることを見いだし、命名した」 これは正か負の電荷を持つ陽子電子のことではないのですか?

  • 電界について

    こんばんわ。以前にも似たような質問をした気がしますがちゃんと確認しておきたいのでよろしくおねがいします。 公務員試験の物理(電界についてです)を勉強していると次のような設問文「真空中において無限に広い導体平面...(以下省略)」があったのですがこの意味は「どこでも電界が一緒」ということでよろしいのでしょうか? いまいち説明の意味がわからないかもしれませんがどなたかよろしくお願いします。

  • 導体表面の電界

    現在電磁気学を勉強している者です。 今回は、導体表面の電界について質問させて頂きます。 演習書を解いていたところ、下のようにわからなくなりました。 問題について書くと、 (某問題1)平行板形コンデンサの二枚の平行導体板に面密度±σが一様に分布している。。。。。以下省略。 で、σのつくる電界はガウスの法則から、 E=σ/ε0 (某問題2)接地された無限に広い平面の導体から距離aの位置に電気量Qの点電荷がある。。。。。以下省略。 で、解いていく最中、この平面の表面に誘起される面密度をσとし、σのつくる電界をガウスの法則で求めるが、解答をみると E=σ/2ε0 (某問題3)無限に広い導体平面の上に一様な面密度σの電荷が分布している。。。。。。以下省略。 で、解答中、σによる電界は平面に垂直でその大きさは、 E=σ/ε0 (某問題4)液体の誘電体があり、その液中に導体の板が二枚がある距離をもって向き合っている。そして、導体間に電位差Vがある。2導体の引き合う力を求めよ。 で、+電極の真電荷密度をσ、それに接する液体面の分極電荷密度 をσpとすると、-電極にはそれぞれ、-σ、-σpの電荷が有る。+電極の力を求めるには-電極の-σと-σpがσに及ぼす力を考えればよい。-σと-σpだけがつくる電界は E=(σ+σp)/2ε0 自分なりに推測したところ、 某問題1と3は、表面に垂直な微小円筒を仮想閉曲面とし、ガウスの法則を適用する。 導体内部では電界はゼロで、導体の外部に出ている閉曲面の部分を考えればよく、また、側面はE・dS=0。 従って、積分が残るのは上面だけであり、E=σ/ε0 某問題2と4では、微小円筒の仮想閉曲面が平面を貫いており、上の1と3における積分が上面と下面になり、 E=σ/2ε0 と考えました。 私の質問は、 ・某問題1~4のEの求め方は私の推測で正しいでしょうか? 次に、私の推測が正しいかどうかわかりませんが、 ・なぜ、2と4の問題では、下面の積分も残るのでしょうか?  問題の条件文はそのまま上に書きましたが、私が何度読んでも、4つとも同じ条件に見えてしまいます。 この見極め方を教えて頂きたいです。 よろしくお願いします。

  • 地上で最大の電界強度Eを作る方法

    こんにちは 地上で金属に最大の電界強度Eを与えるとしたら、どのような方法があるでしょうか? 私が考える方法は次の通りです。 a. 半径1mの金属球を用意します。 b. その金属球の廻りを、バンデグラフ等で電子を帯電させます。 c. 帯電は、金属球の廻りの電界強度Eが360 kV/cm (SF6の絶縁破壊電界)になるまで行います。同時にSF6で絶縁します。 d. 金属球の廻りに爆薬を均等に仕掛け、金属球を爆縮させます。 e. 爆縮により、金属球の半径を、仮に0.05mまで収縮させると、ガウスの法則により、瞬間的ではありますが、360 kV/cm×20^2=144000 kV/cm=1.4×10^8 kV/cmの電界強度が得られる。 ※半径1mの球が爆薬で0.05m=5cmになるかどうかは、解りませんが、問わないものとします。 この方法以上に、更に高い電界強度が得られる方法はあるでしょうか? 1.球に一様に帯電させた場合、半径に2乗に比例します。一様ではなく、金属球が四重極になるようにすれば、半径に3乗に比例します。このことを使えば、更に高い電界強度が得られるのでしょうか? 2.薄い同心導体球殻を重ね、両者の間に電源を挟むか,一方を接地して他方に静電気か何かで帯電させれば,さらに高い電界強度が得られるのでしょうか?