静電気についての疑問

Question

こんにちは。

興味本位で理科の勉強を中学範囲からやり直しを始めました。

先日学習したのが静電気で、ほとんどの物質にはプラス電荷とマイナス電荷がほぼ均等にあり、外的影響（摩擦、湿度など）を受けることで、電荷のプラマイに偏りができ、均等になるようにマイナス電荷が移動するというものでした。

だいたいの理解はできたのですが、細かい内容の理解が不十分でここに質問させていただきました。

疑問点としては二つあります。

(1)二つの物質をこすり合わせると、なぜマイナス電荷のみが移動するのでしょうか？そして擦り合わせることがどうしてマイナス電荷の移動につながるのでしょうか？

(2)電気や熱を通しにくい絶縁体がどうして静電気につながるのでしょうか？

(2)に関しては、自分なりに「電気を通しにくい分、絶縁体が帯電してしまい、なんらかの物質が近づいた際に、放電を起こしてしまう」と考えました。ですが、これすらも疑問で電気を通さないのに、プラス電荷とマイナス電荷が付着することがあるのですか？

サイエンス単元はとても苦手で知識がかなり乏しく的外れな記述もあるかもしれませんが、ご教示よろしくお願いします。

長文失礼します。

kamobedanjoh · Accepted Answer

捕捉戴きました NO.１ です。
『セーターとものさしをこすると、たいてい物差しのほうが静電気現象の実験として使用されるのですが、どうして物差し側に静電気現象が起こるのでしょうか？』

物差しもセーターも、ほぼ同程度に帯電しています。
物差しの方が、実験に便利なだけです。セーターの擦った部分の全面積と、物差しの表面積には可成りの差があるはずで、セーター側は分散範囲が広いですね。セーターの擦った部分も、小さな埃程度なら引き寄せます。

両者の導電率（抵抗値の逆数）にも差がありますから、静電気の消滅時間にも差が生じます。
決定的なのは、両材料の分子構造です。自由電子の多い絶縁物の方が、帯電現象が顕著に表れ、アースなどで簡単に消滅します。毛羽だったセーターなどは、繊維の一本毎の帯電量の総和が帯電量になります。全放電には時間を要します。
それに、セーターでは実験が容易でありません。

teppou · Answer

No.３の回答者です。追加のご質問にお答えします。摩擦により電子が移動すると、移動した先の物質は、電子の量が増えるのでマイナスに帯電します。一方電子が出て行った物質は電子の量が少なくなるので、相対的にプラスの電気が多くなりますのでプラスに帯電したといいます。両方とも静電気です。
　電流の流れは、おっしゃる通り電子の流れの反対ですので、プラスからマイナスに放電するといいますが、放電は電子の移動なので、電子がマイナスからプラスに移動します。どちらが放電を受けるという言い方は特にしないと思います。
　静電気は、絶縁体でないとたまりにくいので、静電気の放電現象は、一方が絶縁体の場合に起こりやすいですが、テレビの番組でよく使っている、ヴァンデグラフという装置は、静電気を金属球にためて一気に放電できるように作られています。静電気を扱った番組を見る機会があったら、よくご覧ください。
　ちなみに、摩擦による静電気のプラスとマイナスは、物質の組み合わせで変わってきます。雷と凧の実験で有名なフランクリンが最初に調べて、帯電列という物質の順番を決めました。まだ電子が発見される前で、高価な物質の方にプラスの電荷がたまると考えたようです。おかげで、電子の流れる方向と電流の流れる方向が反対になってしまいました。
　この辺の事は、ネットなどで調べてみてください。

teppou · Answer

全ての物質は、原子の集まりです。（少なくとも地球上の物質）　その原子は、プラスの電気と、マイナスの電気を同量持っています。プラスの電気は、原子の中心にある原子核にあり、マイナスの電気は、原子の周辺にある電子が持っています。この電子は、比較的簡単に原子から飛び出す事があります。たとえば、光を当てるだけで飛び出してくることがあります。これが太陽光発電の原理です。二種類の物質をこすり合わせても飛び出すことがあります。これは摩擦電気と呼ばれています。
　電子に比べ原子核にあるプラスの電気は、通常飛び出すことはありません。飛び出すと原子の種類が変わります。（原子核崩壊、原子核分裂など）　
　というわけで、マイナス電荷のみが移動します。　
　実は、摩擦電気と呼ばれていますが、二種類の物質をこすり合わせずに接触するだけで、電子は移動します。こすり合わせるのは、まんべんなく接触させるためです。
　なぜ電子が移動するのかは、いまだよくわかっていないようです。
　
　金属にも静電は発生しますが、その電気は金属全体に広がり、素手で持っていれば人体にも広がり、人体からどこかに伝わっていきやすいので、あまり感知されません。
　絶縁体に発生した静電気は、その場（ほとんど表面）にしばらく溜っているので、感知されやすいということです。
　
　冬に、体に静電気がたまり、ドアノブなどに火花が飛んで、バチッと痛い思いをすることがあるのは、衣類や、周りの壁などが乾燥して、絶縁がよくなっているせいです。それでも一応絶縁体である壁などに触ると、静電気はすぐに逃げていきます。

絶縁体と導体の違いは、原子から離れた電子が、流れやすいかどうかの違いです。導体でも絶縁体でも、プラスとマイナスの電気を同量持っています。
　絶縁体といえども、全く電気が流れないわけではありません。半導体という物質もあり、導体と絶縁体の中間の性質を持っています。
　また、大変よく絶縁された物質でも、電気はすこしづつ、空気中に逃げていきます。これは、宇宙線という、宇宙からやってくる放射線の影響で、空気がわずかに電気を流すからだそうです。

以上、言葉の表現が学問的に不正確なところもありますが、少しでもお分かり頂ければと思います。

kamobedanjoh · Answer

（１）摩擦熱によって、物質を構成する元素の電子がエネルギーを得て、流動性を帯びる現象です。
自由電子の配置が一方に偏ることで、見かけ上の＋－の両極に別れます。
両極、特に摩擦し合った二つの絶縁体を導線で接続したり、アース線でアースすると、電流が流れることで、＋－両極間が中和されます。
静電気の概念は、原子物理学より遙かに古い時代に発見・応用され、その間に電圧・電流・抵抗値など、電気的基礎知識が普及しました。その中で、実態としては確認できない、クーロンという単位の概念も持ち込まれています。
原子物理学の発展で、原子核（プラスの性質）を、幾つかの電子（一番外側の周回軌道に位置する電子が自由電子になりやすい）が周回していることが確認されましたが、これら電子の流動が電流の正体であることが確認されても、電気学の初歩的段階では「電荷→クーロン」の説明から教育される習慣が残っています。
「電荷」と言う概念は、今日でも便利に使用されては居ますが、そのような物質は存在しません。
ここが、電気を学ぼうとする人にとっての、一つの難関に成っているようです。マイナスの性質を持つ電子流が実在して居るのに、実体の無いプラスの流れを電流の方向とし、電子流の逆方向に流れている架空の存在を電流の大きさとする規定の仕方も、初心者を惑わせています。
思い切って、電子流と電流を等価なものと定義し直し、電流の強さは電子の流れる量で求めることにすれば、小・中学生にも容易に納得されることと考えています。
つまり、電子をプラスに、原子核をマイナスに定義し直すことですが、大変な作業には成りそうです。
（２）絶縁体だから電子配列の偏りを維持し、静電気現象を持続できるわけです。絶縁体とは、自由電子が動き難い（流動しない）物質です。だから容易に中和できず、電離状態を維持しているわけです。
マイナスの電荷とは、電子の集合状態です。プラスの電荷とは、マイナス電荷に対応する原子核の電気的状態です。

静電気についての疑問

捕捉戴きました NO.１ です。

No.３の回答者です。

全ての物質は、原子の集まりです。

（１）摩擦熱によって、物質を構成する元素の電子がエネルギーを得て、流動性を帯びる現象です。

この回答への補足

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捕捉戴きました NO.１です。

　No.３の回答者です。

　全ての物質は、原子の集まりです。