電荷

電荷
正と負の点電荷の電場
一般的な記号	q
SI単位	クーロン(C)
その他のユニット	基本料金 ファラデー アンペア時間
SI基本単位では	C = A⋅s
広範囲にわたる？	はい
保存されていますか?	はい
寸法	${\displaystyle {\mathsf {T}}{\mathsf {I}}}$

電荷(記号q、場合によってはQ ) は、物質が電磁場に置かれたときに力を受ける原因となる物理的特性です。電荷は正または負です。同種の電荷は互いに反発し、異種の電荷は互いに引き合います。正味の電荷を持たない物体は、電気的に中性であると呼ばれます。帯電した物質がどのように相互作用するかについての初期の知識は、現在では古典電気力学と呼ばれており、量子効果を考慮する必要のない問題に対しては今でも正確です。

電荷は保存される性質です。孤立したシステムの正味電荷、つまり正電荷の量から負電荷の量を引いた値は変化しません。電荷は原子核粒子によって運ばれます。通常の物質では、負電荷は電子によって運ばれ、正電荷は原子核内の陽子によって運ばれます。物質中に陽子より電子が多い場合は負電荷を持ち、電子が少ない場合は正電荷を持ち、電子と陽子が同数の場合は中性になります。電荷は量子化されています。電荷は、約 1/3 の素電荷eと呼ばれる個々の小さな単位の整数倍になります。1.602 × 10 ⁻¹⁹  C , ^[1]これは自由に存在できる最小の電荷である。クォークと呼ばれる粒子はより小さな電荷を持ち、⁠1/3⁠ eですが、 eの整数倍の電荷を持つ粒子にのみ結合して存在します。標準モデルでは、電荷は絶対的に保存される量子数です。陽子の電荷は + eで、電子の電荷は - eです。

今日、負電荷は電子が運ぶ電荷として定義され、正電荷は陽子が運ぶ電荷として定義されています。これらの粒子が発見される前、正電荷はベンジャミン・フランクリンによって、絹の布でこすったときにガラス棒が得る電荷として 定義されました。

電荷は電場を生成します。^[2]移動する電荷も磁場を生成します。^[3]電荷と電磁場（電場と磁場の組み合わせ）の相互作用は、物理学における4つの基本的な相互作用の1つである電磁力（またはローレンツ力）の源です。 ^{[4]荷電粒子間の}光子を介した相互作用の研究は、量子電気力学と呼ばれます。^[5]

電荷の SI 組立単位は、フランスの物理学者シャルル＝オーギュスタン・ド・クーロンにちなんで名付けられたクーロン (C) です。電気工学では、アンペア時(A⋅h) を使用することも一般的です。物理学と化学では、単位として素電荷 ( e ) を使用することが一般的です。化学では、1モルの素電荷 の電荷であるファラデー定数も使用されます。

電荷は、電荷を持つ他の物質が存在する場合に静電引力または反発力を示す物質の基本的な特性です。電荷は、多くの亜原子粒子の特徴的な特性です。独立した粒子の電荷は、基本電荷eの整数倍です。電荷は量子化されていると言います。マイケル・ファラデーは、電気分解の実験で、電荷の離散的な性質に初めて注目しました。ロバート・ミリカンの油滴実験はこの事実を直接実証し、基本電荷を測定しました。1 種類の粒子であるクォークは、以下のいずれかの分数電荷を持つことが発見されています。1/3⁠または + ⁠2/3⁠、しかしそれらは常に整数電荷の倍数で発生すると考えられており、独立したクォークは観測されたことがない。

慣例により、電子の電荷は負の-eで、陽子の電荷は正の+eです。同じ符号の電荷を持つ荷電粒子は反発し合い、異なる符号の電荷を持つ粒子は引き合います。クーロンの法則は、 2 つの粒子間の静電気力を、その力がそれらの電荷の積に比例し、それらの間の距離の2 乗に反比例することを主張して定量化します。反粒子の電荷は、対応する粒子の電荷に等しくなりますが、符号が逆になります。

マクロな物体の電荷は、その物体を構成する粒子の電荷の合計です。この電荷は小さいことが多いです。なぜなら、物質は原子で構成されており、原子には通常同数の陽子と電子があるためです。その場合、それらの電荷は打ち消され、正味の電荷はゼロになり、原子は中性になります。

イオンとは、 1 つ以上の電子を失って正の電荷を帯びた原子 (または原子のグループ) (陽イオン)、または 1 つ以上の電子を得て負の電荷を帯びた原子 (または原子のグループ) です。単原子イオンは単一の原子から形成され、多原子イオンは結合した 2 つ以上の原子から形成され、いずれの場合も正または負の電荷を帯びたイオンになります。

マクロな物体の形成中、構成原子とイオンは通常、結合して、中性原子に電気的に結合した中性イオン化合物からなる構造を形成します。したがって、マクロな物体は全体的に中性になる傾向がありますが、マクロな物体が完全に純中性になることはめったにありません。

マクロな物体には、材料全体に分散して固定されたイオンが含まれる場合があり、そのイオンが物体全体に正味の正電荷または負電荷を与えます。また、導電性元素でできたマクロな物体は、（元素に応じて）電子を多かれ少なかれ容易に吸収または放出し、その後、正味の負電荷または正電荷を無期限に維持します。物体の正味電荷がゼロでなく静止している場合、その現象は静電気として知られています。これは、琥珀を毛皮で、ガラスを絹でこするなど、2つの異なる材料をこすり合わせることで簡単に発生させることができます。このようにして、非導電性材料を正電荷または負電荷のいずれかに大幅に帯電させることができます。一方の材料から取り出された電荷はもう一方の材料に移動し、同じ大きさの反対の電荷が残ります。電荷保存の法則は常に適用され、負電荷が取り出された物体には同じ大きさの正電荷が与えられ、その逆も同様です。

物体の正味電荷がゼロの場合でも、電荷は物体内で不均一に分布することがあります（たとえば、外部の電磁場や結合した極性分子が原因）。このような場合、物体は分極していると言われます。分極による電荷は結合電荷と呼ばれ、物体の外部から得た電子または失った電子によって物体上に生成される電荷​​は自由電荷と呼ばれます。導電性金属内の電子が特定の方向に動くことを電流と呼びます。

電荷量のSI単位はクーロン（記号：C）である。クーロンは、 1アンペアの電流を1秒間に流す導電体の断面を通過する電荷量として定義される。^[6]この単位は1946年に提案され、1948年に批准された。^[6]小文字の記号qは、電荷量を表すためによく使用される。電荷量は、電位計で直接測定することも、弾道検流計で間接的に測定することもできる。

素電荷（陽子の電荷）はSIの基本定数として定義されています。^[7] SI単位で表した場合の素電荷の値は、正確に1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  C . ^[1]

1891年、電荷の量子化特性を発見した後、ジョージ・ストーニーは電荷の基本単位として「電子」という単位を提案しました。その後、 JJ トムソンが1897年に現在電子と呼ばれている粒子を発見しました。この単位は現在、素電荷、電荷の基本単位、または単にeと表記され、電子の電荷は − eです。孤立系の電荷は、大規模では電荷が連続量として振る舞うように見えても、素電荷eの倍数でなければなりません。状況によっては、素電荷の分数について話すことに意味があります。たとえば、分数量子ホール効果などです。

ファラデーという単位は電気化学で使われることがある。1ファラデーは1モルの素電荷の電荷の大きさである^[8]。9.648 533 212 ... × 10 ⁴  C .

古代から、人々は今日では電荷の概念を使って説明される4種類の現象に精通していました：(a)雷、(b)魚雷魚（または電気エイ）、(c)聖エルモスの火、そして(d)毛皮でこすった琥珀は小さくて軽い物体を引き付けるということです。^[9]琥珀効果に関する最初の記述は、紀元前624年頃から紀元前546年頃まで生きた古代ギリシャの数学者ミレトスのタレスによるものとされることが多いですが、タレスが著作を残したかどうかについては疑問があります。^[10]彼の琥珀に関する記述は、200年代初頭の記述から知られています。^[11]この記述は、この現象が少なくとも紀元前600年頃から知られていた証拠と見なすことができますが、タレスはこの現象を無生物に魂があることの証拠として説明しました。^[11]言い換えれば、電荷の概念を示すものはありませんでした。より一般的に言えば、古代ギリシャ人はこれら 4 種類の現象の関連性を理解していませんでした。ギリシャ人は、帯電した琥珀のボタンが髪の毛などの軽い物体を引き付けることを観察しました。また、琥珀を十分長くこすると、電気火花が飛ぶことさえあることを発見しました^[要出典]。しかし、電気火花についての言及は 17 世紀後半まで現れなかったという主張もあります。^{[12]この特性は}摩擦電気効果に由来します。1100 年代後半には、石炭の圧縮形態である物質ジェットが琥珀効果を持つことが指摘され^[13]、1500 年代半ばには、ジロラモ フラカストロがダイヤモンドもこの効果を示すことを発見しました。 ^{[14]この現象の説明を開発するために、フラカストロと他の人々、特に}ジェロラモ カルダーノによっていくつかの努力がなされました。^[15]

古代から定量的に研究されてきた天文学、力学、光学とは対照的に、電気現象に関する定性的かつ定量的な継続的な研究の始まりは、 1600年にイギリスの科学者ウィリアム・ギルバートが『磁石^{論』を出版したことに始まる。 [16]}この本の中で、ギルバートは多くの初期の理論を論じる中で（ギルバートがそう呼んだ）アンバー効果に立ち返った短い章があり、^[15]そして新ラテン語のelectrica（ギリシャ語の琥珀を意味するἤλεκτρον (ēlektron)に由来）という造語を生み出した。このラテン語は英語にelectricsと翻訳された。^{[17]ギルバートは}電気的という用語も考案したとされているが、電気という用語は後になってから登場し、1646年にサー・トーマス・ブラウンが著したPseudodoxia Epidemicaに初めて使用された。 ^[18] (言語の詳細については電気の語源を参照) ギルバートは、この琥珀色効果は、電気物体から流れ出る小さな粒子の流れ (体積や重量を減らさずに流れる) によって説明できると仮説を立てた。この物質的な電気的な流出というアイデアは、17世紀と18世紀に影響を与えた。これは、18世紀に発展した「電気流体」(デュファイ、ノレット、フランクリン) と「電荷」に関するアイデアの先駆けとなった。^[19]

1663年頃、オットー・フォン・ゲーリケはおそらく最初の静電発電機を発明したが、彼はそれを主に電気装置として認識しておらず、最小限の電気実験を行っただけだった。^[20]他のヨーロッパの先駆者にはロバート・ボイルがおり、彼は1675年に電気現象だけを扱った英語で最初の本を出版した。^[21]彼の研究は主にギルバートの研究の繰り返しだったが、彼はさらにいくつかの「電気」を特定し、^[22] 2つの物体間の相互引力にも気づいた。^[21]

1729年、スティーブン・グレイはガラス管を使って静電気を発生させる実験をしていた。彼はガラス管を埃や湿気から守るために使われていたコルクも電気を帯びる（帯電する）ことに気づいた。さらなる実験（例えば、コルクに細い棒を差し込んで延長する）により、初めて、電気的な悪臭（グレイの呼び方）が遠くまで伝わる（伝導する）ことがわかった。グレイは、より糸（765フィート）と電線（865フィート）を使って電荷を伝導することに成功した。^[23] これらの実験を通して、グレイは電気的な悪臭の伝導を促進または阻害するさまざまな材料の重要性を発見した。 グレイの実験を数多く繰り返したジョン・テオフィラス・デサグリエは、これらの実験で異なる材料が及ぼす影響を指すために導体と絶縁体という用語を作り出したとされている。 ^[23]グレイは電気誘導（つまり、電荷が直接の物理的接触なしに物体から物体へ伝わる）も発見した。例えば、彼は帯電したガラス管を、糸で支えられた鉛の塊に近づけるが触れさせないことで、鉛を帯電させることができることを示した（例えば、真鍮の削りかすを引き寄せたりはじいたりする）。^[24]彼はこの現象を電気の放出という概念で説明しようとした。^[25]

グレイの発見は、電荷に関する知識の歴史的発展に重要な転換をもたらした。電気的な発散物が一つの物体から他の物体へ伝わるという事実は、この性質が摩擦によって帯電する物体と不可分な関係にあるのではないという理論的可能性を開いた。^[26] 1733年、シャルル・フランソワ・ド・システルネ・デュ・フェイはグレイの研究に触発されて一連の実験を行い（Mémoires de l' Académie Royale des Sciencesに報告）、金属と流体を除いて、ほぼすべての物質は摩擦によって「帯電」できることを示し^[27]、電気には互いに打ち消し合う2種類があると提唱し、これを二流体理論で表現した。^{[28]デュ・フェイは、}ガラスを絹で擦るとガラスにガラス質の電気が帯電し、琥珀を毛皮で擦ると琥珀に樹脂の電気が帯電すると述べた。現代の理解では、正電荷はガラス棒を絹の布でこすった後の電荷として定義されていますが、どのタイプの電荷を正と呼び、どのタイプの電荷を負と呼ぶかは任意です。^{[29]この時代のもう一つの重要な二流体理論は、}ジャン=アントワーヌ・ノレ（1745）によって提唱されました。^[30]

1745年頃まで、電気による引力と反発力の主な説明は、帯電した物体が悪臭を放つという考えだった。^[31] ベンジャミン・フランクリンは1746年後半に電気実験を開始し、^[32] 1750年までには、擦られたガラスが、ガラスを擦るのに使用した布と同じだが反対の強さの電荷を受け取ることを示した実験に基づいて、電気の一流体理論を展開した。 ^{[32] [33]}フランクリンは、電気をすべての物質に存在する一種の目に見えない流体であると想像し、電荷という用語自体を（バッテリーなどいくつかの用語とともに）作った。[ 34 ]^例えば、彼は、蓄積された電荷を保持するのはライデン瓶の中のガラスであると信じていた。彼は、絶縁表面をこすり合わせるとこの流体の位置が変わり、この流体の流れが電流を構成すると仮定した。また、彼は、物質が過剰な流体を含むときは正に帯電し、不足しているときは負に帯電すると仮定した。海外の同僚ピーター・コリンソンから受け取ったガラス管を使った実験の後、彼は正をガラス電気、負を樹脂電気と特定した。実験では、参加者Aがガラス管を充電し、参加者Bは充電された管から指の関節にショックを受けた。フランクリンは、参加者Bが管からショックを受けた後に正に帯電していると特定した。^[35]ウィリアム・ワトソンが同時期（1747年）に独立して同じ一流体の説明に到達したかどうかについては、曖昧さがある。ワトソンは、コリンソンに宛てたフランクリンの手紙を見た後、1747年春にフランクリンと同じ説明を提示したと主張している。 ^[36]フランクリンは、独自の実験と分析を行う前にワトソンの研究をいくつか研究しており、それがおそらくフランクリン自身の理論構築に重要だったと思われる。^[37]ある物理学者は、ワトソンが最初に一流体理論を提唱し、その後フランクリンがそれをさらに発展させて影響力を強めたと主張している。^[38]ある科学史家は、ワトソンが自分の考えとフランクリンの考えの微妙な違いを見逃したため、ワトソンは自分の考えをフランクリンの考えに似ていると誤解したと主張している。^[39]いずれにせよ、ワトソンとフランクリンの間には敵意はなく、1747年初頭に定式化されたフランクリンの電気作用モデルは、最終的にその当時広く受け入れられるようになった。^[37]フランクリンの研究の後、悪臭に基づく説明はほとんど提唱されなくなった。^[40]

フランクリンモデルは根本的に正しいことが今では分かっています。電荷は1種類​​しかなく、電荷の量を追跡するために必要な変数は1つだけです。^[41]

1800年までは、電荷の伝導を研究するには静電気放電を利用するしかありませんでした。1800年にアレッサンドロ・ボルタは、閉じた経路を通じて電荷が連続的に運動し続けることができることを初めて示しました。^[42]

1833年、マイケル・ファラデーは、電気はそれが生成される源に関係なく同一であるという疑いを払拭しようとした。^[43] 彼は、既知のさまざまな形態について議論し、それらを一般的な電気（静電気、圧電性、磁気誘導など）、ボルタ電気（ボルタ電池からの電流など）、動物電気（ 生体電気など）と特徴付けた。

1838年、ファラデーは電気が流体なのか、それとも重力のような物質の性質なのかという疑問を提起した。彼は物質が他の電荷とは独立してある種の電荷を帯びるかどうかを研究した。 [ ^44]彼は電荷は2つ以上の物体間の関係であるという結論に達した。なぜなら、ある物体に反対の電荷を帯びさせずに別の物体に電荷を帯びさせることはできないからである。^[45]

1838年、ファラデーは電気力の理論的説明も発表したが、電気力は1つの流体から発生するのか、2つの流体から発生するのか、あるいは全く発生しないのかについては中立的な立場を表明した。^[46] 彼は、粒子の通常の状態は非分極であり、分極すると粒子は自然な非分極状態に戻ろうとするという考えに焦点を当てた。

ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、電気力学への場の理論アプローチを開発する中で（1850年代半ばに開始）、電荷を物体に蓄積する特別な物質として考えるのをやめ、電荷を場におけるエネルギーの変換の結果として理解し始めました。^[47]この量子以前の理解では、電荷の大きさは微視的レベルでも連続量であると考えられていました。^[47]

静電気とは、物体の電荷と、平衡状態にない 2 つの物体を近づけたときに発生する 静電放電を指します。静電放電により、2 つの物体それぞれの電荷に変化が生じます。

どちらも電気特性を持たないガラス片と樹脂片をこすり合わせて、こすった面を接触させたままにしておくと、電気特性は示されません。離すと、互いに引き合います。

2 つ目のガラス片を 2 つ目の樹脂片とこすり合わせ、その後分離して、以前のガラス片と樹脂片の近くに浮かべると、次の現象が発生します。

• 2枚のガラスは互いに反発し合います。
• ガラスの各片は樹脂の各片を引き付けます。
• 2つの樹脂は互いに反発します。

この引力と反発力は電気現象であり、それを示す物体は帯電している、または電荷を帯びていると言われます。物体は、滑り以外にもさまざまな方法で帯電することがあります。2 枚のガラスの電気的特性は互いに似ていますが、2 枚の樹脂の電気的特性とは逆です。つまり、ガラスは樹脂が反発するものを引きつけ、樹脂が引きつけるものを反発します。

何らかの方法で帯電した物体がガラスと同じように振る舞う場合、つまりガラスをはじき、樹脂を引き付ける場合、その物体はガラス帯電していると言われ、ガラスを引き付け、樹脂をはじく場合は樹脂帯電していると言われます。帯電した物体はすべて、ガラス帯電または樹脂帯電のいずれかです。

科学界では、ガラス質の帯電を正、樹脂質の帯電を負と定義する慣例が確立されている。2種類の帯電の正反対の性質は、反対の符号で示すことを正当化するが、一方に正の符号を、他方にではなく適用することは、数学の図表で右手に向かって正の距離を計算する慣例であるのと同様に、恣意的な慣例とみなされる必要がある。^[48]

電流とは、物体を通る電荷の流れです。最も一般的な電荷キャリアは、正に帯電した陽子と負に帯電した電子です。これらの荷電粒子のいずれかの動きが電流を構成します。多くの場合、電流が正電荷によって従来の電流の方向に移動するか、負電荷によって反対方向に移動するかに関係なく、従来の電流について話すだけで十分です。このマクロな観点は、電磁気の概念と計算を簡素化する近似です。

反対に、微視的な状況を見ると、電子の流れ、正粒子のように働く電子ホールの流れ、電解液やプラズマ内で正負の粒子（イオンやその他の荷電粒子）が反対方向に流れるなど、電流を運ぶ方法はたくさんあることがわかります。

金属ワイヤの一般的かつ重要なケースでは、従来の電流の方向は実際の電荷キャリア、つまり電子の ドリフト速度と逆になることに注意してください。これは初心者にとって混乱の原因となります。

孤立系の全電荷は、系自体の変化に関係なく一定のままです。この法則は物理学で知られているすべてのプロセスに固有のものであり、波動関数のゲージ不変性から局所的な形で導くことができます。電荷の保存は、電荷-電流連続方程式をもたらします。より一般的には、積分体積V内の電荷密度ρの変化率は、閉じた表面S = ∂ Vを通る電流密度Jの面積積分に等しく、これは正味電流Iに等しくなります。

${\displaystyle -{\frac {d}{dt}}\int _{V}\rho \,\mathrm {d} V=}$ ${\displaystyle \scriptstyle \partial V}$ ${\displaystyle \mathbf {J} \cdot \mathrm {d} \mathbf {S} =\int J\mathrm {d} S\cos \theta =I.}$

したがって、連続方程式で表される電荷​​保存則は、次の結果をもたらします。

${\displaystyle I=-{\frac {\mathrm {d} q}{\mathrm {d} t}}.}$

時刻と時刻の間で移動する電荷は、両辺を積分することで得られます。 ${\displaystyle t_{\mathrm {i} }}$${\displaystyle t_{\mathrm {f} }}$

${\displaystyle q=\int _{t_{\mathrm {i} }}^{t_{\mathrm {f} }}I\,\mathrm {d} t}$

ここで、I は閉じた表面を通る正味の外向き電流であり、q は表面によって定義される体積内に含まれる電荷です。

電磁気学に関する記事で説明されている性質とは別に、電荷は相対論的 不変量である。つまり、電荷qを持つ粒子は、移動速度に関係なく同じ電荷を持つ。この性質は、1 つのヘリウム 原子核(2 つの陽子と 2 つの中性子が原子核内で結合し、高速で動き回っている) の電荷が 2 つの重水素原子核 (1 つの陽子と 1 つの中性子が結合しているが、ヘリウム原子核内に存在する場合よりもはるかにゆっくりと移動している) の電荷と同じであることが実験的に証明されている。^{[49] [50] [51]}

• SI電磁気単位
• カラーチャージ
• 部分的な請求
• 陽電子または反電子は、電子の反粒子または反物質である。

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