静電誘導

静電誘導は、ヨーロッパやラテンアメリカでは「静電影響」または単に「影響」とも呼ばれ、近くの電荷の影響によって引き起こされる物体内の電荷の再分配です。 ^[1] 帯電物体が存在すると、絶縁導体の一方の端には正電荷が、もう一方の端には負電荷が発生します。^[1] 誘導は、1753年に英国の科学者ジョン・カントンと1762年にスウェーデンの教授ヨハン・カール・ウィルケによって発見されました。 ^[2] ウィムズハースト機、ヴァンデグラフ発電機、エレクトロフォラスなどの静電発電機はこの原理を利用しています。この文脈ではスティーブン・グレイも参照してください。誘導により、静電ポテンシャル（電圧）は導体全体のどの点でも一定になります。^[3]静電誘導は、風船、紙、発泡スチロールの切れ端などの軽くて非導電性の物体が静電荷に引き寄せられるのも原因です。準静的近似が有効である限り、静電誘導の法則は動的な状況に適用されます。

通常の帯電していない物質は、各部分に正電荷と負電荷が同数ずつ存在し、互いに近接しているため、どの部分にも正味の電荷はありません。[ ^{4] : p.711–712} 正電荷は、物質の構造に束縛され、自由に動くことができない原子核です。負電荷は、原子の電子です。金属などの導電性の物体では、一部の電子は物体内を自由に動き回ることができます。

帯電した物体を金属片などの帯電していない導電性物体に近づけると、クーロンの法則により、近くの電荷の力によってこれらの内部電荷が分離します。^{[4] : p.712} たとえば、正電荷を物体の近くに持っていくと（静電機械の近くにある円筒形電極の図を参照）、金属内の電子は物体に引き寄せられ、物体の対向する側に移動します。電子がある領域から移動すると、原子核のために不均衡な正電荷が残ります。これにより、外部電荷に最も近い物体に負電荷の領域が、そこから離れた部分に正電荷の領域が生じます。これらは誘導電荷と呼ばれます。外部電荷が負の場合、帯電領域の極性は反転します。

このプロセスは、物体にすでに存在する電荷の再分配に過ぎないため、物体の総電荷は変化しません。つまり、正味電荷はゼロのままです。この誘導効果は可逆的であり、近くの電荷が除去されると、正と負の内部電荷間の引力により、再び混ざり合います。

しかし、誘導効果は物体に正味の電荷を帯電させるためにも使用できます。^{[4] : p.711–713} 上記の物体が正電荷に近いときに、導電経路を介して瞬間的に電気接地（正負両方の電荷の大きな蓄積源）に接続されると、近くの正電荷の引力により、接地中の負電荷の一部が物体に流れ込みます。接地との接触が切断されると、物体には正味の負電荷が残ります。

この方法は、電荷を検出する機器である金箔検電器を使用して実証できます。検電器を最初に放電し、次に帯電した物体を機器の上部端子に近づけます。誘導により検電器の金属棒内の電荷が分離し、上部端子は物体と反対の極性の正味電荷を獲得し、金箔は同じ極性の電荷を獲得します。両方の箔は同じ電荷を持っているため、互いに反発して広がります。検電器は正味電荷を獲得したわけではなく、内部の電荷が単に再分配されただけなので、帯電した物体を検電器から遠ざけると、箔は再び一緒になります。

しかし、検電器の端子とアースの間で、たとえば指で端子に触れるなどして短時間電気接触が生じると、端子に近い物体の電荷に引き寄せられて、アースから端子へ電荷が流れます。この電荷が金箔の電荷を中和するため、箔は再びくっつきます。検電器には、帯電物体とは極性が逆の正味電荷が蓄えられます。たとえば指を離すなどしてアースとの電気接触が切断されると、検電器に流れ込んだ余分な電荷は逃げることができず、計器は正味電荷を保持します。電荷は、誘導電荷の引き寄せによって検電器の端子の上部に保持されます。しかし、誘導電荷が移動されると、電荷は解放されて検電器の端子から箔へと広がるため、金箔は再び離れます。

接地後に検電器に残る電荷の符号は、常に外部誘導電荷の符号と逆になります。^[5]誘導の2つの法則は次のとおりです。^{[5] [6]}

• 物体が接地されていない場合、近くの電荷によって物体内に等しく反対の電荷が誘導されます。
• 誘導電荷が近くにあるときに物体のいずれかの部分が瞬間的に接地されると、誘導電荷と極性が反対の電荷が地面から物体に引き寄せられ、物体には誘導電荷と反対の電荷が残ります。

残る疑問は、誘導電荷の大きさです。電荷の移動は、クーロンの法則により、外部の帯電物体の電界によって電荷に及ぼされる力によって引き起こされます。金属物体内の電荷が分離し続けると、結果として生じる正と負の領域が独自の電界を作り出し、外部電荷の電界に対抗します。^[3] このプロセスは、非常に速く（1秒の何分の1か以内）平衡に達するまで続きます。この平衡では、誘導電荷は金属物体の内部全体で外部電界を打ち消すのにちょうど適切なサイズと形状になります。^{[3] [7]} その後、金属内部の残りの可動電荷（電子）は力を感じなくなり、電荷の正味の動きが停止します。^[3]

金属物体の内部にある可動電荷（電子）はどの方向にも自由に移動できるため、金属内部に電荷が静的に集中することはあり得ません。もしあったとしても、相互反発により分散するでしょう。^[3] したがって、誘導では、可動電荷は外部電荷の影響下で金属中を移動し、局所的な静電中性を維持します。どの内部領域でも、電子の負電荷が原子核の正電荷とバランスをとります。電子は金属の表面に到達するまで移動し、そこで集まりますが、境界によって移動が制限されます。^[3]表面は、正味の電荷が存在できる唯一の場所です。^{[4] : p.754}

これにより、導電性物体の静電気は物体の表面に存在するという原理が確立されます。^{[3] [7]} 外部電界は金属物体に表面電荷を誘導し、内部の電界を正確に打ち消します。^[3]

2 点間の静電ポテンシャルまたは電圧は、2 点間の電界を通って小さな正電荷を移動させるのに必要なエネルギー (仕事) を電荷の大きさで割ったものとして定義されます。点から点へ向かう電界がある場合、その電界は から へ移動する電荷に力を及ぼします。電界の反対の力に逆らって電荷を へ移動させるには、力によって電荷に仕事を行わなければなりません。したがって、電荷の静電ポテンシャル エネルギーが増加します。したがって、点 の電位は 点 の電位よりも高くなります。任意の点の電界は、静電ポテンシャルの勾配(変化率)です 。 ${\displaystyle \mathbf {b} }$${\displaystyle \mathbf {a} }$${\displaystyle \mathbf {a} }$${\displaystyle \mathbf {b} }$${\displaystyle \mathbf {b} }$${\displaystyle \mathbf {b} }$${\displaystyle \mathbf {a} }$${\displaystyle \mathbf {E} (\mathbf {x} )}$${\displaystyle \mathbf {x} }$ ${\displaystyle V(\mathbf {x} )}$

${\displaystyle \nabla V=\mathbf {E} \,}$

導電性物体の内部には電荷に力を及ぼす電界が存在しないため、導電性物体内部の電位勾配はゼロである^[3]${\displaystyle (\mathbf {E} =0)\,}$

${\displaystyle \nabla V=\mathbf {0} \,}$

別の言い方をすると、静電気学では、静電誘導によって導電性物体全体の電位 (電圧) が一定になることが保証されます。

同様の誘導効果は非導電性（誘電体）物体でも発生し、風船、紙切れ、発泡スチロールなどの小さくて軽い非導電性物体が静電気で引き寄せられる現象^{[8] [9] [10]} （上の猫の写真を参照）や、衣服に 静電気が発生する原因となっています。

非導体では、電子は原子または分子に束縛されており、導体のように物体の周りを自由に動き回ることはできませんが、分子内では多少動くことができます。正電荷を非導体の近くに持ってくると、各分子内の電子はそれに引き寄せられ、電荷に面した分子の側に移動します。一方、正の原子核は反発され、分子の反対側にわずかに動きます。負電荷は正電荷よりも外部電荷に近いため、負電荷の引力は正電荷の反発力よりも大きくなり、結果として分子が電荷に引き寄せられる力はわずかになります。この効果は微視的ですが、分子の数が多いため、発泡スチロールのような軽い物体を動かすのに十分な力になります。

外部電場による分子内の電荷分布の変化は誘電分極と呼ばれ、^[8]分極した分子は双極子と呼ばれます。これは、外部電荷がなくても構造上正極と負極を持つ極性分子と混同しないでください。これがピスボール電気計の動作原理です。^[11]

ウィキソースには、1911 年のブリタニカ百科事典の記事「静電気」のテキストがあります。

• ウィキメディア・コモンズの静電誘導に関連するメディア
• 「静電誘導による充電」。リージェント試験準備センター。オスウェゴ市学区。1999 年。2008 年 8 月 28 日にオリジナルからアーカイブ。2008年 6 月 25 日に取得。