初めての物理学(6・終)電磁気
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- 2023/12/09 17:04:31
◎静電気
あらゆる物体は、電荷をもっている。電荷の量を、電気量と言う。電気量の単位は、C（クーロン）である。陽子約6.0×10¹⁸個がもつ電荷の量を、1Cと言う。
陽子1つがもつ電荷の量は、約1.6×10⁻¹⁹Cである。電子1つがもつ電荷の量は、約-1.6×10⁻¹⁹Cである。原子1つがもつ陽子の数と電子の数は同じであるため、普段は物質の電気量は0Cである。
しかし、異なる素材からなる物体同士をこすり合わせると、電子が移動し、物体が電荷をもつ。
物体が電荷をもっている状態のことを、帯電と言う。帯電している物体がもっている電気のことを、静電気と言う。帯電している物体を他の物体に近づけると、物体同士の間で電流が流れる。この現象を、放電と言う。
帯電している物体同士が及ぼし合う引力や斥力のことを、静電気力と言う。電気量の符号が異なる時は物体は近づき合い、同じ時は物体は遠ざかり合う。
静電気力をF[N]、比例定数をk[(m³・kg)/(s⁴・A²)]、一方の物体の電気量をq₁[C]、もう一方の物体の電気量をq₂[C]、物体間の距離をr[m]とすると、
F=kq₁q₂/r²
と表せる。
◎電流
金属原子は、最外殻電子が自由に動くことによって結合している。
割っか状に繋げた金属のことを、回路と言う。
◎電流の向きと大きさ
電子が流れることを、電流と言う。正の電荷が移動する方向を、正の電流の向きとする。
電子の電荷は負であるため、電子が移動する方向と電流の向きは逆である。
電流の大きさの単位は、A（アンペア）である。無限に小さい円形断面積をもつ無限に長い2本の導体を真空中に1m離して置いた時、2/10000000[N/m]の力で影響を及ぼし合う電流の大きさのことを、1Aと言う。1Aは、1秒間に1Cの電気量が通過する時の電流の大きさに等しい。
電流の大きさをI[A]、電気量をq[C]、時間をt[秒]とすると、
I=q/t
と表せる。
◎電圧
電流を流す勢いのことを、電圧と言う。
電圧の単位は、V（ボルト）である。1Aあたり1Wの電力が生じる電圧のことを、1Vと言う。
◎抵抗
電流を妨げることを、抵抗と言う。
抵抗の単位は、Ω（オーム）である。1Aの電流を流すのに1Vの電圧を必要とする物質の抵抗のことを、1Ωと言う。
◎オームの法則
電圧をV[V]、電流をI[A]、抵抗をR[Ω]とすると、
V=RI
と表せる。
◎抵抗率
抵抗をR[Ω]、物質によって異なる抵抗率をρ[Ω・m]、物質の長さをl[m]、物質の断面積をS[m²]とすると、
R=ρl/S
と表せる。
◎合成抵抗
①直列
抵抗を直列に繫いだ時、合成抵抗をR[Ω]、一方の抵抗をR₁[Ω]、もう一方の抵抗をR₂[Ω]とすると、
R₁+R₂=R
と表せる。
②並列
抵抗を並列に繫いだ時、合成抵抗をR[Ω]、一方の抵抗をR₁[Ω]、もう一方の抵抗をR₂[Ω]とすると、
1/R₁+1/R₂=1/R
と表せる。
◎ジュールの法則
ニクロム線に電流を流すと、熱くなる。この時、熱量をQ[J]、電流をI[A]、抵抗をR[Ω]、電流を流した時間をt[秒]、電圧をV[V]とすると、
Q=I²Rt
=VIt
=(V²/R)t
◎電力量と電力
ドライヤーは、もらった電気エネルギーをニクロム線で熱エネルギーに変えている他に、モーターで運動エネルギーにも変えている。このような様々なエネルギーを生むのに必要な電気エネルギーのことを、電力量と言う。
電力量をW[J]、電流をI[A]、抵抗をR[Ω]、電流を流した時間をt[秒]、電圧をV[V]とすると、
W=I²Rt
=VIt
=(V²/R)t
と表せる。
単位時間（普通1秒）あたりに消費される電力量のことを、消費電力と言う。消費電力をP[W]、電力量をW[J]、電流を流した時間をt[秒]、電流をI[A]、抵抗をR[Ω]、電圧をV[V]とすると、
P=W/t
=I²Rt/t
=I²R
=VI
=V²/R
電力量の単位には、Wh（ワット時）も使う。1Wの電力を1時間消費した時の電力量のことを、1Whと言う。
抵抗を直列に繫いだ時、電力量や消費電力は、抵抗に反比例する。
抵抗を並列に繫いだ時、電力量や消費電力は、抵抗に比例する。
◎直流
向きが一定である電流のことを、直流(direct current)と言う。直流は、電圧が一定である。
乾電池の電圧は、1.5Vである。
◎交流
向きが周期的に変わる電流のことを、交流(alternating current)と言う。交流は、電圧も周期的に変わる。
一般家庭に供給されている電気の電圧の振幅は、約140Vである。これを直流に換算すると、100Vになる。
静岡県富士市旧市域よりも東における周波数は50Hzであり、同市旧富士川町よりも西における周波数は60Hzである。
◎変圧器
ある抵抗に50Vの電圧をかけたい。しかし、今、手元には電圧が100Vである電気しかない。そのような時には、変圧器を使う。変圧器とは、電圧を変えるために使う、2つのコイルを1つの鉄心に巻いたものである。
電流を流すコイルにかかる電圧をV[V]、そのコイルに導線を巻いた回数をN[回]、電流が流れるコイルにかかる電圧をV'[V]、そのコイルに導線を巻いた回数をN'[回]とすると、
V:V'=N:N'
と表せる。
◎アンペールの右ねじの法則
磁石同士に働く引力や斥力のことを、磁力と言う。
磁力が生じている空間のことを磁場と言い、方位磁針を置いた時にN極が指す方向のことを磁場の向きと言う。
電流が流れるとその周りに磁場ができるが、電気が奥に流れる時は磁場の向きは時計回りになり、電気が手前に流れる時は磁場の向きは反時計回りになる。
◎電磁誘導
磁石を導線に近づけたり離したりすると、導線に電気が流れる。
電磁誘導では、コイルの中を通る磁力線の数の変化を打ち消す方向に電流が流れる。
