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静電誘導と誘電分極について

よろしくお願いします。 高校物理です。 今、電場のところを勉強しているのですが、静電誘導と誘電分極について質問です。 教科書には、静電誘導は帯電体を近づけたとき、帯電体に近い側には、帯電体と異種の電気が現れる、と書いてあるのですが、 誘電分極についても、不導体について、静電誘導と同じような現象が起きているという考え方でよいのでしょうか? 静電誘導はなんとなくわかるのですが、誘電分極についてよくわかりません。誘電分極の場合は、 「不導体では、電子は構成粒子から離れられないが、帯電体の静電気力によって構成粒子の中の電子配置がずれる。これを分極という。」 とあるのですが、不導体の中の電子は動けないのに、電子配置がずれる、という意味がよくわかりません。 電子配置がずれるとは、電子が動くことではないのですか? 結局静電誘導と同じように、帯電体の反対の電気が表面に現れるのですよね?つまり、電子が動いたのではないのでしょうか? 誘電分極について、いまいちよく理解できません。 基本的なところですが、教えていただけるとうれしいです。 よろしくお願いします。

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siegmund です. > 不導体の中の電子も「構成粒子から離れられない」が、「動けない」わけではない、ということですね。 > つまり、動ける範囲が大きいか小さいか、ということですね。 その通りです. 正確に言いますと,導体では電子はどこまでも動ける(導体の端まで), 不導体では原子核の周辺ちょっとしか動けない, です. 鎖から解き放たれた犬と鎖につながれている犬みたいなものでしょうか. > 左から表面にマイナスの電荷を帯びている物体を近づけたとき、導体の帯電体を近づけた側の表面にはプラスの電荷がでてくる、ので、 > 帯電体は、右から左に電場をつくり、導体は、左から右に電場を作るので、導体内では、電場は打ち消されて0ということでしょうか? > 自分なりに考えてみましたが・・・? そのとおりです. > でも、そうだとすると、電場の大きさは同じになるのでしょうか? > 帯電体が作る電場と導体内の電場の大きさは、等しくないと完全に打ち消されないと思いますが、常に同じ電場になるのでしょうか? > 例えば導体が小さいとその分電場は小さくなるので、帯電体のつくる電場の方が小さい・・・ので打ち消されない、という状況にはならないのでしょうか? 誘導電荷が作る電場は誘導電荷の配置(道体表面のどこにどれくらいの誘導電荷が生じるか)に依存します. 実はこの配置は,誘導電荷が作る電場が帯電体の作る電場を導体内すべての場所で完全に打ち消すように自動的に決まるのです. 打ち消されないという状況は,導体ではなくて不導体で起きている状況です.

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度々のご回答ありがとうございます。 導体における電場は、導体がどんな大きさでも、導体内の電場が全て0になるのですね。 よくわかりました。ありがとうございました。

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  • 回答No.5

#1&3です。 >#1さんと同じですよね?御回答ありがとうございます。 #1の投稿をしてしばらくした後に、この質問を開いてみたら、私の投稿がなかったので(←どうしてだろう??)、回答してなかったのかと思ってもう1度投稿したらダブったんです。。。すいません。。。 >イメージすると、まんまるな袋の中に電子が入っている場合、静電誘導では、そのまんまるな中から外に飛び出して電子が動けるが、誘電分極では、その袋の外へは飛び出せないが、まんまるな袋が楕円形などに変形する、とそういうイメージでしょうか。 導体の方に関しては、もともと特定の原子に束縛されているわけではないので、「もともと原子核の周りにいた電子」という言い方は不適切だったかもしれません。そういう意味では#4さんの、「鎖から解き放たれた犬」の方がいいですね。帯電体を近付けると、フリスビーを投げた時のように走っていく、という感じでしょうか(笑) あと、#1(#3)にちゃんと書かなかったので、きちんとイメージされているか不安なのですが、「楕円」というのは、「円を変形させたもの」というイメージで使っているのではなくて、彗星のように「軌道の中心が(太陽・原子核から)ずれたもの」というイメージで使っています。 つまり、「軌道が形が変わる」というのは重要ではなくて、電場に引っ張られて「軌道がずれる」というのが重要なんです(ずれた結果、軌道は変形するでしょうが)。まぁ、後は#2,4さんの通りです。 導体内部の電場に関しては、 (1) 導体内部の電子はちょっと力を受けるだけで動く事ができる (2) 導体内部の電場がゼロでなければ、それに応じて電子が移動する (3) 十分時間が経てば、電子の動きが落ち着く。 (4) 電子の動きが落ち着いたという事は電場がゼロになったという事 のような順番で考えればイメージしやすいですかね。

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御回答ありがとうございます。 導体における静電誘導で動ける電子は、特定の原子核につながれているわけではなくて、「鎖から解き放たれた犬」で、自由にうろうろできるということですね。 >「楕円」というのは、「円を変形させたもの」というイメージで使っているのではなくて、彗星のように「軌道の中心が(太陽・原子核から)ずれたもの」というイメージで使っています。 ここはやはり間違ってイメージしていました。円が変形したような状態だと思っていました。というのも、教科書にそんな感じの図がのっていたので・・・ 導体内部の電場は、導体内の電子の移動により、必ず電場は0になる、ということですね。 よくわかりました。度々御回答頂きましてありがとうございました。

  • 回答No.3

静電誘導というのは、電子が、帯電体に引き寄せられて(or反発して)、帯電体の近くに(or遠くに)電子が集まる現象です。 もともと原子核の周りにいた電子が、電子が帯電体の方向に(or反対方向に)すっ飛んでいくというイメージ。 一方、誘電分極というのは、各原子(分子)が電気双極子モーメントを持つ(電荷分布に偏りができる)現象です。 もともと原子核を中心とする円軌道だったのが、彗星のような楕円軌道になった、あるいは、円軌道の中心が原子核からずれた、というイメージ。 あくまでも、イメージですけどね。

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#1さんと同じですよね?御回答ありがとうございます。

  • 回答No.2

大学初年級の電磁気の授業でも,同じところで悩む学生さんは多いようです. 静電誘導は導体(≒金属)で起きる現象, 誘電分極は不導体(=絶縁体≒誘電体)で起きる現象です. 原子は中心の原子核とその周りを回っている(この表現は本当はよくないが)電子とからできています. 電子は軌道が決まっていて1つの軌道には1つしか電子が入れません. で,原子番号と同じ数の電子が内側から順に軌道に入れられます. 固体では原子が孤立しているわけではなくて,格子ができていてすぐ隣にも他の原子があります. 導体では外側の軌道の電子が原子核の束縛を完全に離れて, 導体全体を動き回れるようになります. したがって,電池をつなげば電流が流れるというわけで,まさに導体です. さて,束縛を離れた電子は勝手に動き回れますが, 導体から外に飛び出すことはできません. 外に出るにはものすごく高い壁があると思えばいいでしょう. この導体の近くに帯電体をもってきますと,帯電体の作る電場を電子が感じますから, 導体内の電子は電場と逆方向に動きます(電子の電荷は負だから). どこまでも電場と逆方向に動けるかというとそうではなくて, 高い壁にぶつかった導体の表面でストップします. 逆側の表面には電子が抜けた分,正電荷があるように見えます. これらを誘導電荷と呼んでいます. もともと(帯電体を近づける前)は導体内で電子と正電荷 (電子が抜けた原子核,つまり正イオン)がどの場所でも等密度分布していましたから 実効的には電場はありませんでした. 帯電体を近づけて電子が動くと電子と正電荷の分布の様子が変わりますので, 電子と正電荷が電場を作ります. 実は,電子と正イオンの作る電場は帯電体の作る電場を完全導体内で完全に打ち消します (そうなるように,表面の電子分布が決まる). では,不導体ではどうなっているのか? 不導体では,電子が原子核に強く束縛されていて,原子核から離れることができず, 不導体の端から端まで動くなどと言うことはできません. そういうわけで,電池をつないでも電流は流れないのです. さえ,不導体に帯電体を近づけます. そうると, 「不導体では、電子は構成粒子から離れられないが、帯電体の静電気力によって構成粒子の中の電子配置がずれる。」 になります.構成粒子は原子核+電子の意味でしょう. 例えるなら,教室で椅子に座っているようなものです. 身を乗り出すと学生さんの位置は椅子の位置から少しだけずれますが, どこまでもずれていけるわけではありません. この例えなら,導体は学生さんが部屋の中に立っていて勝手に歩き回れると思えばいいでしょう. 帯電体を近づける前は,原子核(+)と電子(-)は位置が同じでしたが (つまり,±  ±  ±  ± ) 帯電体を近づけると位置がずれて +- +- +- +- +- のようになります. 普通の電磁気学で問題にするのは,原子核間の平均距離よりはるかに長い距離で見た平均的電場ですから, +と-が多少ずれても不導体内部ではなにも起こっていないように見えす. ところが,端ではそうはいかないわけで, 端には明らかに+や-がしみ出てきたようにみえます. また例えですが,10人掛けの長いすに10人の学生さんが座っている状況を想像して下さい. で,1人分ずつ座る位置をずらします. 中の方では何も起こっていないように見えますが, 片方の端では1人分スペースがあまり,逆の端では学生さんが1人椅子からはみだしてしまいます. これが,不動体表面に現れた分極電荷です. 不導体でも,電子の位置の変化が帯電体の電場を打ち消そうとすることは同じですが, 電子が勝手に動けないという制限のため,電場は一部だけ打ち消されるにとどまり, 不導体内部で電場がゼロと言うことにはなりません. > 電子配置がずれるとは、電子が動くことではないのですか? 多少は動けますが,どこまでも動いていくことはできません. これを「離れられない」と表現しています. > 結局静電誘導と同じように、帯電体の反対の電気が表面に現れるのですよね? その通りです. ただし,上で説明したように,どの程度の電気が現れるのかは静電誘導と誘電分極では異なります.

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御回答ありがとうございます。 不導体の中の電子も「構成粒子から離れられない」が、「動けない」わけではない、ということですね。 つまり、動ける範囲が大きいか小さいか、ということですね。 導体での >実は,電子と正イオンの作る電場は帯電体の作る電場を完全導体内で完全に打ち消します と不導体での >不導体でも,電子の位置の変化が帯電体の電場を打ち消そうとすることは同じですが, >電子が勝手に動けないという制限のため,電場は一部だけ打ち消されるにとどまり, >不導体内部で電場がゼロと言うことにはなりません. のところは少し意味がわかりませんでしたが、自分なりに想像すると、 左から表面にマイナスの電荷を帯びている物体を近づけたとき、導体の帯電体を近づけた側の表面にはプラスの電荷がでてくる、ので、 帯電体は、右から左に電場をつくり、導体は、左から右に電場を作るので、導体内では、電場は打ち消されて0ということでしょうか? 自分なりに考えてみましたが・・・? でも、そうだとすると、電場の大きさは同じになるのでしょうか? 帯電体が作る電場と導体内の電場の大きさは、等しくないと完全に打ち消されないと思いますが、常に同じ電場になるのでしょうか? 例えば導体が小さいとその分電場は小さくなるので、帯電体のつくる電場の方が小さい・・・ので打ち消されない、という状況にはならないのでしょうか? その他は、なんとなくわかったような気がします。ご丁寧に説明して頂きありがとうございます。

  • 回答No.1

静電誘導というのは、電子が、帯電体に引き寄せられて(or反発して)、帯電体の近くに(or遠くに)電子が集まる現象です。 もともと原子核の周りにいた電子が、電子が帯電体の近くに(or遠くに)すっ飛んでいくというイメージ。 一方、誘電分極というのは、各原子(分子)が電気双極子モーメントを持つ(電荷分布に偏りができる)現象です。 もともと原子核を中心とする円軌道だったのが、彗星のような楕円軌道になった、とか、円軌道の中心が原子核からずれた、というイメージ。

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ありがとうございます。 イメージすると、まんまるな袋の中に電子が入っている場合、静電誘導では、そのまんまるな中から外に飛び出して電子が動けるが、誘電分極では、その袋の外へは飛び出せないが、まんまるな袋が楕円形などに変形する、とそういうイメージでしょうか。

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