物理

はく検電器の問題で
帯電した棒を近づけたり、指で触れたりする問題がありますが
帯電した棒などを近づける前に指で触った場合、何も起こらないのですか？

具体的な問題で、わからない問題があります。
手で触れているはく検電器の金属板に正に帯電したガラス棒を近づけたあと、手を離してからガラス棒を遠ざけたとき、はくはどのようになるか。
答え　「閉じていたはくは手を離しても変化せず、ガラス棒を遠ざけると開いた。」なんですが
よく理由が分かりません。
指で触れる問題ですが、どのようなときに電子が流出して、どのようなときに電子が流入するのかが分かりません。

説明お願いします。

No.1 ベストアンサー 回答者： Quarks 回答日時： 2012/06/30 17:57

>はく検電器の問題で

>帯電した棒を近づけたり、指で触れたりする問題がありますが
>帯電した棒などを近づける前に指で触った場合、何も起こらないのですか

はい、触る前に、検電器が電荷を持っていないならば、何事も起こりません。


本題です。以下は、標準的な(?)説明です。
　
ハク検電器は、「皿」，「支柱」，「ハク」共に金属（導体）ですから、そこに含まれている電荷は自由に移動することができます。
さて、正に帯電したガラス棒を近づけたとき、ハク検電器の自由電子は引き付けられて「皿」の部分に集まってきます。逆に正の電荷はガラス棒から斥力を受けるので、可能な限り遠くに逃げようとします。指が触れていないならば、ハクの部分に逃げていくしかなく、しかも、そこで行き止まりですが、いまは指（一種の導線として作用します）が触れていますから、正の電荷は、指を伝わって（より遠くの）地球まで逃げていってしまいます。つまり、正の電荷はハクに留まる必要が無く、ハクではなく地球に逃げていきます。
　
電荷の移動は、あっと言う間に終わりますから、その後指を離しても、電荷の分布状態は変化しません。つまり、検電器の皿部には負の電荷が有り、ハクの部分には電荷は無い状態のままです。
　
続いて、ガラス棒を遠ざけると、皿部に集まっていた負の電荷は互いに斥力を及ぼし合うため、検電器の金属部を伝わって、ハクの部分にもその一部がやって来ます。こうして、ハク部は開くことになります。



疑問が浮かぶことでしょう。正の電荷って、移動するのか？　と。
ハク検電器の正電荷の正体は、つきつめれば原子核ですから、もちろん移動できません。でも、正の電荷が移動したように考えて良いのです。
私たちの目には、"電荷を担う物体"の移動そのものは見えません。たとえば、導線を流れる電流は検知できても、電子が右方に動いているのか、正の電荷を持った何ものかが左方向に動いているのか区別できないのと同じように、ガラス棒を近づけたときに、（指を伝わって）本当に移動していたのは、正の電荷なのか、電子なのか検知することはできなのです。
検知できないならば、正の電荷が、ガラス棒に追いやられて逃げていったと考えても、指を通じて地球から負の電荷が引き付けられてきたと考えても、どちらでも「説明」になっているわけです。
　正の電荷は動けないということを知っているなら、もちろん、電子が地球からやってきた、と考えるほうが納得しやすいでしょう。
　
でも、それなら、ハク部の電子が引き寄せられてきても良さそうだが…　という疑問も浮かぶことでしょう。もっともなことです。
いま、電荷の移動が止んだあと、ガラス棒に引き寄せられた電子のうち、-q[C]がハク部から、-Q[C]が指を通じて地球から供給されていたと仮定しましょう。もし、それだけだったとしたら、ハク部には、＋q[C]の電荷が有るわけです。この+q[C]は、電子を引き寄せる力を及ぼします。でも、皿部に有る負の電荷は、ガラス棒からの引力と、ハク部の＋q[C]からの引力とが釣り合った状態になっているはずなので、皿部の電子は移動できません。
　しかし、指に有る電子は、ガラス棒からも、地球からも力を受けていません※が、ハクからの引力は受けます。こうして、指を通じて（ハクの正電荷が残っている限り）、電子が－q[C]供給され続け、やがては、ハク部の正電荷は中和されてしまいます。
　こうして、ハクからは電子が移動しなかったかのような状態が実現してしまうのです。


※　指を触れるということは、地球に繋がっていることだと考えることになっています。指を、地球と皿部を繋ぐ導線のように考えるのです。
　地球は膨大な電荷の集合体です。正の電荷も負の電荷もそれぞれ膨大な量（無限量と考えて構いません）です。そこから、ちょっとくらい負の電荷が失われても、地球全体の電荷は変化しないと同じで、出ていく負の電荷を引き寄せるようなことはありません。
　ガラス棒の方には、移動可能な量の電子が既に移動していますから、それ以上は近づけません。つまりガラス棒からも力は受けないのです。

この回答へのお礼

回答ありがとうございました。

お礼日時：2012/07/23 23:00