静電気とは?冬場にビリッとくる嫌な現象の仕組み(電気の基礎知識)

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乾燥する時期になるとビリッと不意に襲ってくる静電気。

時折、
強烈な衝撃を受ける時があるので本当に嫌ですよね。

しかし、
プリンターやコピー機、ライターなど。
静電気の現象を利用して私たちの生活を支えてくれているものもたくさんあります。

また、
交流の回路で重要な役割を持つコンデンサーは、
静電気と関わりのある静電誘導という現象を用いたものです。

試験には出題されせんが、しっかりと理解しておきたい内容です。

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静電気とは?




静電気とは、
物質の接触や摩擦によって、その物質を構成する原子や分子中の電子がはがれて移動し
片方が(-)、もう片方が(+)に帯電することにより起こる現象です。

原子や電子の電気的なエネルギーについては、こちらをどうぞ。
電気とはそもそもどんな現象?(電気の基礎知識)

ドアノブなどを触った際にビリッくるのは、
このはがれた電子が元に戻ろうと移動(放電)するためです。

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下手くそなイラストを使って簡単にご説明します。


静電気

二つの謎の物質があります。

この物質は3つの原子を持っていて電子を1つ、陽子を1つ持っています。

この物質が互いに接触します。


静電気2

すると、
接触した刺激によって右側の電子が左側へ移動してしまいました。

すると、
右側は電子を奪われたのでプラスのエネルギーが強くなり、
(+)に帯電します。

左側は電子をもらうことによってマイナスのエネルギーが強くなり、
(-)に帯電します。


静電気3

ものすごくざっくりした説明ですがこれが静電気の簡単な仕組みです。



また一般的に、
静電気は絶縁体(不導体)の物質に起こる現象です。

導体と絶縁体。金属が電気を通しやすい理由とは?(電気の基礎知識)
絶縁体について説明しましたが、
絶縁体の物質は共有結合によって電子の結びつきが強い為、自由電子がなく電気が流れません。

しかし、
外部からの刺激によって電子を受けっ取ったり、
逆に手放してしまったりすると元に戻りにくい性質があります。

この電子の移動が戻らないことによって電気的なエネルギーが溜まってしまうので、
絶縁体には静電気が発生します。

一方、
導体でも外部からの刺激によって電子の移動は起こりますが、
導体は常に電子の移動が起こっているようなものなので電気が溜まることはなく
すぐに元に戻ってしまいます。




静電気の実験がYouTubeにありましたので、興味のある方は観てみてください。






誘電分極



静電気を理解する上で重要な誘電分極という現象があります。

誘電分極とは絶縁体(不導体)に起こる現象なのですが、

(+)や(-)に帯電した物質を絶縁体に近づけると、
(+)に帯電したものには(-)、
(-)に帯電したものには(+)と

帯電している極性と逆の極性が
その物質の近い方に現れる現象(分極)が起こります。

簡単にイラストでご説明します。


誘電分極2

純水を入れた容器があるとします。
水と電気の関係。純水は電気を通さない?(電気の基礎知識)で水分子には極性があるというお話をしました。

この極性を持つ水分子に、
ここでは両側に電圧をかけてみます。


誘電分極

するとこのように、
(+)側には(-)の極性を持つ酸素が、
(-)側には(+)の極性を持つ水素が集まります。

このように電圧を加えて分極が起こる現象が誘電分極です。



静電誘導



誘電分極は絶縁体(不導体)に起こる現象でしたが、
今度は導体に起こる誘電分極=静電誘導についてです。


静電誘導2

太い銅線があるとします。
銅は最外殻に一つの電子を持っているのでこのように表してみました。

これに電圧を加えた場合はこのようになります。


静電誘導

導体などの金属は容易に自由電子が移動するので、
静電誘導では金属内部でこのような電子の移動が起こります。

この現象を利用したものがコンデンサーやダイオードです。

これらはまた別の機会にご説明したいと思います。



以上、
静電気についてでした。

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