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体積電荷密度(クーロン/m3)が分かっていて電荷は均一に分布しています。それから表面電荷密度(クーロン/m2)を計算したいのですがどうすればいいのかわかりません。電荷は均一に分布しているので簡単なような気がするのですがわかりません。教えてください。お願いします。

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A 回答 (4件)

これは等価な表面電荷密度を求めるということでしょうか?


帯電体の外部に関する限り,全く等価な表面電荷に置き換え
ることができると思います。当然物体の形状に依存すると
思われますが。

最も単純な球体の場合,体積電荷密度ρ,
等価表面電荷密度σ,球の半径aとして,
4/3 πa^3 ρ = 4πa^2 σ
∴ σ = a/3 ρ

この回答への補足

回答ありがとうございます。
説明不足で申し訳ありませんが、全く等価な表面電荷に置き換えるということではありません。体積電荷密度が分かっている物質の表面電荷密度を求める方法が知りたいのです。分かりにくい説明で申し訳ありません。

補足日時:2008/10/20 06:12
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>全く等価な表面電荷に置き換えるということではありません。



それならば、ANo.2さんがおっしゃるとおり無理というものです。
本来表面電荷密度は、電荷が偏在する厚さdの部分に対して、
σ=ρd (ただし体積電荷密度ρは一定とする)
と書けるものと思いますが、今回の問題の場合表面への電荷の
偏在がなく、dを決定することができません。

りんごの密度が(皮まで)一様であるとき、りんごの皮の面積
密度はいくらか? 皮の厚さが与えられなければ解けませんね?
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ふたつは違う概念ですから求められません。

しいていえば表面電荷密度については何も言っていないので0かな?
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球を考えてみて下さい。


球の半径rでの厚さΔrを考えてみて下さい。
lim(Δr→0)4πr^2*Δr*(体積荷電密度)=4πr^2*(面積荷電密度)
でしょうね。

この回答への補足

doc_sundayさん
返答ありがとうございます。
微分を考えるのですね~。教えてくださった式によると両側の4πr^2がキャンセルされて...申し訳ありませんがもう少しヒントをくれませんか?
あと別途にしつもんなのですが、電荷が均一に分布している場合、体積荷電密度から面積荷電密度への変換式は物体の形状によりませんよね???

補足日時:2008/10/19 20:37
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Q導体球の表面の電荷密度

直径100mmの導体球に5×10^-7[C]の電荷が与えられている。

この時、表面の電荷密度はどうもとめるのですか?そもそも表面の電荷密度ってどういうことかわかりません。電荷は導体に一様に分布しないんですか?

Aベストアンサー

 どういう状況下にいらっしゃるのか、わかりませんが、以下のような説明は、省略されたのかな?、という気がしました。

(1)表面電荷
 自由電子を持ち、(導体内では)自由電子が、かけられた電場に沿って自由に動ける。これが導体の定義だったと思います。ここで自由電子は、もともと導体内の原子に含まれていたものであり、導体全体としては電荷量ゼロですが、この理由から、導体に電場をかければ電流が流れます。

 導体に外から電荷を与えた場合、導体の先の性質から、これは余剰な自由電子とみなせます。要するにいつでも電流として移動できます。
 無限に広い導体を考え、その一部に集中して電荷を与えたとします。電荷は電場を作るので、電荷どうしは電場によって反発します。電場に沿って自由に動けるのが自由電子です。集中して与えた電荷は拡散して行くはずです。この過程を、

  (a)電荷保存則
  (b)ガウスの法則
  (c)一般化されたオームの法則

を組み合わせて計算すると、電荷はその反発力のために無限の彼方へ逃走し、導体内の電荷はゼロになる、という結果になります。もちろん抵抗(電気伝導率)があるので、ゼロになるまでの時間はゼロではありませんが、電場と抵抗の比から、実際上はほぼ一瞬で、そうなると言えます。

 もちろん無限に広い導体が現実にない以上、これは仮想の計算です。しかし有限の表面を持つ導体でも、上の理由から電荷は拡散するはずなので、現実の導体では、与えた電荷は一瞬で、表面のみに貯まるようになり、導体内部の電荷はゼロになるだろうと予想できます。これが表面電荷です。
 表面電荷はある厚みを持つはずですが、非常に薄いと考えられるので、ふつうは電荷の面密度(C/m^2)で近似します。


(2)経緯
 電気の開発者たちは、(a)(b)(c)を知っていた訳ではないです。しかし当時は頻繁に帯電した導体球などを用いて、クーロンの実験などを行い、最終的にはガウスの法則を導いたりしています。その過程で表面電荷に気づき、後に計算で確認されたのが実情と思えます。


(3)という訳で
 という訳で、与えた電荷が表面電荷になる事さえ経験事実として認めれば、別に途中経過を計算しないでも、球は一様な形状と材質なので、一様な表面電荷になるはずだ、という事になります。
 電気の最初に出される問題は、機構さえ理解していれば、常識的考えで解けるものが、けっこうあります。この問題で言えば、表面電荷に納得しているか?、を問うているようにも深読みできます。表面電荷の説明があったとすればですが・・・。

 どういう状況下にいらっしゃるのか、わかりませんが、以下のような説明は、省略されたのかな?、という気がしました。

(1)表面電荷
 自由電子を持ち、(導体内では)自由電子が、かけられた電場に沿って自由に動ける。これが導体の定義だったと思います。ここで自由電子は、もともと導体内の原子に含まれていたものであり、導体全体としては電荷量ゼロですが、この理由から、導体に電場をかければ電流が流れます。

 導体に外から電荷を与えた場合、導体の先の性質から、これは余剰な自由電子とみなせます。...続きを読む

Q同心球殻状の導体から作られるコンデンサー 電場 電位差 電気容量

半径aと半径b(a<b)の同心球殻状の導体から作られるコンデンサーを考える。
外側球殻が電荷Qを帯び、内側球殻が電荷-Qを帯びているとし、以下の問いに答えよ。
(1)外側球殻と内側球殻にはさまれた領域の電場を求めよ。
(2)外側球殻と内側球殻の電位差Vを求めよ。
(3)このコンデンサーの電気容量を求めよ。

という問題が解けません。
特に、同心球殻状の導体から作られるコンデンサーの考え方がわかりません。
どなたか解いていただけませんか。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

基本的な考え方だけ説明します。
「球面上に一様に分布した電荷qは、球内に電場を作らず、球外では
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内球に電荷q1が分布するとき、
0<r<aでE1(r)=0,a<rでE1(r)=(1/4πε)(q1/r^2)
外球に電荷q2が分布するとき、
0<r<bでE2(r)=0、b<rでE2(r)=(1/4πε)(q2/r^2)
実際の電場は、E(r)=E1(r)+E2(r)

電荷は、内球の外面にq1,外球の内面に-q1,外球の外面にq2分布する。

電位は、
φb=∫[0→∞] E(r)dr=(1/4πε)(q1+q2)/b
φa=φb+∫[a→b] E(r)dr=φb+(q1/4πε)(1/a-1/b)

q1=-Q,q2=+Qより、電位差は、
V=φa-φb=(Q/4πε)(1/a-1/b)だから、
C=Q/V=(Q/4πε)/(1/a-1/b)

Q電子密度?電荷密度?

電荷密度の単位って(C/V)だとずっと思っていたんですが、最近(electron/V)って表記されているものをみつけたんですが、これって電子密度ではないでしょうか?
口頭でしゃべるときは「電荷密度(electron/V)」とかいてあっても電子密度と言っていた方がいるんですが、それは単純な表記ミスってことでしょうか?

ちょっと分かりにくい質問かもしれませんが、要するに電荷密度と電子密度の単位表記が一定でないのはなぜなのか?ということなんです。


どなたか教えていただけないでしょうか。よろしくお願いします。

Aベストアンサー

#2です。
解りました。
#1さんもいってる通り単位の取り方の問題で・・・

 MKSA系は微視的な事象を扱うには適さない面があります。
 電子数個の分布を表すのにCを使うと10^(-19)オーダーになってしまいますね。だから電子の数個を扱うため、基準に「電子の個数」を取ったのでしょう。それなら許されると思います。
 この場合、口頭なら「電子の電荷を単位として」と断るとか、図表とかに使うのだったらその図表の欄外に1electron/m^3=1.6×10^(-19)C/m^3とか書いておけば文句は無いでしょう。発表者が「電子の個数で・・・」とか言ってませんでしたか?

Q導体球殻の電位

内半径a 外半径b の導体球殻の中心に電気量q(>0)の点電荷を置くとき
各点における電位の分布を求めよ。無限遠方をV=0とする。

という問題で

まず、ガウスの法則を用いて電場をもとめて、そこから距離の積分をしてVを求めようとしました。


まず、境界は次の三つであっていますでしょうか。

(1)0<r<aの時(2)a≦r<b(3)B≦r

そして各場合の電場は

(1)の時、∫ε_0EdS=q より
E= q/4πr^2ε_0
(2)の時、
導体の内部なので電場E=0
(3)の時∫ε_0Eds=q
E=q/4πr^2ε_0

ここで電位を求める場合の方法ですが境界の値と計算方法に自信がありません。

(3)の時、

V=-∫(∞→r)E・dr = (q/4πε_0)・(1/r)

(2)の時、
V=-∫(∞→b)E・dr -∫(b→r)0・dr = (q/4πε_0)・(1/b)

(1)の時、

V= -∫(∞→b)E・dr -∫(b→a)E・dr - ∫(a→r)E・dr = (q/4πε_0)(1/r)

(1)の答えが解答では(q/4πε_0)(1/r)
ではなく
(q/4πε_0)((1/b)+(1/r)-(1/a))
となっていました。

なぜなのでしょうか。

ご教授お願い申し上げます。

内半径a 外半径b の導体球殻の中心に電気量q(>0)の点電荷を置くとき
各点における電位の分布を求めよ。無限遠方をV=0とする。

という問題で

まず、ガウスの法則を用いて電場をもとめて、そこから距離の積分をしてVを求めようとしました。


まず、境界は次の三つであっていますでしょうか。

(1)0<r<aの時(2)a≦r<b(3)B≦r

そして各場合の電場は

(1)の時、∫ε_0EdS=q より
E= q/4πr^2ε_0
(2)の時、
導体の内部なので電場E=0
(3)の時∫ε_0Eds=q
E=q/4πr^2ε_0

ここで電位を求める場合の方法ですが境界の値と計算方...続きを読む

Aベストアンサー

考え方も計算も、ほぼオッケーですよ。
(1)のときの電位ですが
V= -∫(∞→b)E・dr -∫(b→a)E・dr - ∫(a→r)E・dr = (q/4πε_0)(1/r)

真ん中の(b→a)の積分のときは、上で書かれているように E=0 なので
積分も0です。
ですから
V=(q/4πε0)( (1/b) - (1/∞) + (1/r) - (1/a) )
になりますね。

Q導体板の電荷密度

2枚の導体板を平行に向かい合わせたとき、負電位の導体からの距離をxとし、その点の電位を
V=V0(x/d)^(4/3)  V0:導体間の電位差、d:板間の間隔
とします。
そのときの板間の空間の電荷密度の求め方がわかりません。

導体表面の電荷密度(C/m^2)を求めて、それをdで割ればいいのだと思って
計算してみたのですが答えと違う値になってしまいます。
どういう風に解けばいいのでしょうか?

Aベストアンサー

No.1です。
No.1の最初に書いた式は微分形のガウスの法則というのですが、積分形のガウスの法則を使うということなのかもしれません。

部屋の床が負極板で、天井が正極板だとします。床に底面積S, 高さxの四角柱を立てます。この四角柱の上面における電場は、E(x) = -(d/dx)V(x) です。
次に、積分形のガウスの法則により四角柱の中の電荷は、Q(x) = S ε。E(x) と求められます。
四角柱を微小高さdx伸ばすと、伸びた四角柱の中の電荷はQ(x+dx)です。したがって、微小体積Sdx(四角柱の上面に貼り付けた薄板)の中の電荷は、Q(h+dh)-Q(h)となります。よって、四角柱上端付近の電荷密度ρは
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Q波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式は?

波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式を知っていたら是非とも教えて欲しいのですが。
どうぞよろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

No1 の回答の式より
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   = hc/eλ[eV]
となります。
波長が nm 単位なら E = hc×10^9/eλ です。
あとは、
 h = 6.626*10^-34[J・s]
 e = 1.602*10^-19[C]
 c = 2.998*10^8[m/s]
などの値より、
 E≒1240/λ[eV]
となります。

>例えば540nmでは2.33eVになると論文には書いてあるのですが
>合っているのでしょうか?
λに 540[nm] を代入すると
 E = 1240/540 = 2.30[eV]
でちょっとずれてます。
式はあっているはずです。

Q偏微分の記号∂の読み方について教えてください。

偏微分の記号∂(partial derivative symbol)にはいろいろな読み方があるようです。
(英語)
curly d, rounded d, curved d, partial, der
正統には∂u/∂x で「partial derivative of u with respect to x」なのかもしれません。
(日本語)
ラウンドディー、ラウンドデルタ、ラウンド、デル、パーシャル、ルンド
MS-IMEはデルで変換します。JIS文字コードでの名前は「デル、ラウンドディー」です。

そこで、次のようなことを教えてください。
(1)分野ごと(数学、物理学、経済学、工学など)の読み方の違い
(2)上記のうち、こんな読み方をするとバカにされる、あるいはキザと思われる読み方
(3)初心者に教えるときのお勧めの読み方
(4)他の読み方、あるいはニックネーム

Aベストアンサー

こんちには。電気・電子工学系です。

(1)
工学系の私は,式の中では「デル」,単独では「ラウンドデルタ」と呼んでいます。あとは地道に「偏微分記号」ですか(^^;
その他「ラウンドディー」「パーシャル」までは聞いたことがあります。この辺りは物理・数学系っぽいですね。
申し訳ありませんが,あとは寡聞にして知りません。

(3)
初心者へのお勧めとは,なかなかに難問ですが,ひと通り教えておいて,式の中では「デル」を読むのが無難かと思います。

(4)
私はちょっと知りません。ごめんなさい。ニックネームは,あったら私も教えて欲しいです。

(2)
専門家に向かって「デル」はちょっと危険な香りがします。
キザになってしまうかどうかは,質問者さんのパーソナリティにかかっているでしょう(^^

*すいません。質問の順番入れ替えました。オチなんで。

では(∂∂)/

Q金属、半導体の抵抗の温度変化について

金属は温度が高くなると抵抗が大きくなり、半導体は温度が高くなると抵抗が小さくなるということで、理論的にどうしてそうなるのでしょうか。
金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?
半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。
あと自分で調べていたところ「バンド理論」というのを目にしました。
関係があるようでしたらこれも教えて頂くとありがたいです。

Aベストアンサー

こんにちは。

>>>金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?

だいたい合っています。
金属については、温度が上がると正イオン(自由電子が引っこ抜かれた残りの原子)の振動が激しくなるので、自由電子が正イオンに散乱されます(進路を乱されます)。
それをマクロで見たとき、電気抵抗の上昇という形で現れます。

>>>半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。

半導体の中において金属の自由電子に相当するものは、電子とホールです。この2つは電流を担う粒子ですので、「キャリア」(運ぶ人)と言います。
ホールは、半導体物理学においてプラスの電子のように扱われますが、その実体は、電子が欠けた場所のことを表す「穴」のことであって、おとぎ話の登場人物です。
電子の濃度とホールの濃度に違いがあったとしても、一定の温度においては、両者の濃度の積は一定です。
これは、水溶液において、H+ と OH- の濃度の積が一定(10^(-14)mol^2/L^2)であるのと実は同じことなのです。

中性の水溶液の温度が高くなると、H2O が H+ と OH- とに解離しやすくなり、H2O に戻る反応が劣勢になります。
それと同様に、真性半導体においても、温度が上がると電子とホールが発生しやすくなるのに比べて、両者が出合って対消滅する反応が劣勢になるため、両者の濃度の積は増えます。
キャリアが増えるので、電流は流れやすくなります。

こんにちは。

>>>金属については、温度が上がると粒子が熱振動し自由電子が流れにくくなるというようなことを聞いたことがありますがあっていますか?

だいたい合っています。
金属については、温度が上がると正イオン(自由電子が引っこ抜かれた残りの原子)の振動が激しくなるので、自由電子が正イオンに散乱されます(進路を乱されます)。
それをマクロで見たとき、電気抵抗の上昇という形で現れます。

>>>半導体についてはまったく理由がわからないので詳しく教えて頂くとありがたいです。

半導体...続きを読む

Q電荷が球殻内に一様に分布する問題について

「 内半径a,外半径bの球殻(aくb)があり,球殻の中心からの距離rとする.電荷Qが球殻部分(aくrくb)に一様に分布しているとき,電界と電位を求めよ.また,rくa,bくrは真空として真空の誘電率をε0する.」
という問題です.
この問題は試験問題だったため回答がないので,一応参考書などを読んで似たような問題を見たりしたのですが,今一つ理解できません.
もしよろしかったら,どなたか教えていただけないでしょうか?
よろしくお願いします.

Aベストアンサー

hikamiuさんが既にお答えされていますので、以下は具体的な計算のやり方についての話です。計算のやり方は大学の先生のご好意による講義ノート(参考URL)が公開されていますので、そこの7の6を参照してみてください。もっともその前に講義ノートの6の5で少し計算の地ならしをしてから進まれたほうが理解が速いかもしれません。

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Qホイートストンブリッジの精度

ホイートストンブリッジで測定すると、精度がよいと聞いたのですが、それはなぜなんでしょうか?その理由を教えてください。お願いします。

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イメージとしてです。

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回路図は省略しますが、回路の説明に前にキルヒホッフの法則を薄っぺらで良いですから、わかっていれば良いです。(特に第二法則)
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