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導体と電荷と電界と電位


導体中及び、導体表面での電界の性質、電位の特徴について説明する。

さて、導体とは内部に自由に動くことのできる非常に多くの荷電粒子(負電荷の電子、正電荷のホール、イオン)をもつ物体のことである。(固体、液体、気体何でも良い)。

もし導体内に電界が存在すると、荷電粒子は自由に動ける為に、電界から受けた力によって移動する。荷電粒子の移動方向は、内部の電界を減らす方向であり、 導体内で力を受けなくなるまで(導体内部の電界が'0'になるまで、)荷電粒子は移動する。もし、導体内部に電荷が存在するとそこから三次元的に電気力線が伸びるが、 この電界を打ち消すのは、逆符号の同一の電荷分布のみである。よって、導体内部には、電荷は存在しない。 (電荷が中性を保つ(正負の電荷量が等しい)のであって、荷電粒子はあらゆる場所に存在している。) 右の図のように移動した荷電粒子の作る電界は、先に(例えば外部より)与えられた電界を導体内では減少させる。(荷電粒子は、導体内の電界が'0'になるように移動する。)

(理想的には)導体内には電界は存在しない。


導体表面では、導体表面に対して電界が垂直でない場合には、電界を導体表面に対して水平方向と垂直方向に分解すれば、水平方向の電界により導体表面近傍の 荷電粒子は水平方向に力を受け移動する。移動の方向は電界の水平方向成分を打ち消す方向であり、導体表面で力を受けなくなるまで(導体表面の電界の水平方向成分が'0'になるまで)、 移動する。よって、電界は導体表面では、(移動した荷電粒子による電界によって打ち消されて)水平方向成分が無い。電界は、導体表面で導体表面に対して垂直である。 電界方向と面の方向が常に垂直なので、導体表面は等電位面になる。導体肉厚部も(電界が無いので)等電位である。

導体表面では、電界の垂直成分(電気力線)は、導体表面に分布する荷電粒子に吸収されて(荷電粒子から湧き出して)導体内には存在しなくなる。


導体が中空になっていれば、その中にQ(c)の電荷を帯びた荷電粒子があれば、荷電粒子からのびる電気力線は、導体の内表面に垂直に到達して、そこで消滅し、導体肉厚内には電界は存在しない。 導体の内表面で、Q(c)に相当する電気力線が消滅するので、導体の内表面には、全部で−Q(c)の電荷が分布する。荷電粒子が、中空内のどこにあっても電荷の総量は変わらない。 (ただし、中空内の空間部分の電界分布は変化する。)

もし、導体が空中にあり電気的に中性であれば、導体内ではQ(c)の電荷がどこかに存在しなければならない。この電荷は、導体外表面に、表面で電界が垂直になるように分布する。 (この分布は、一意に決る。)中空導体外側の電気力線は中空導体の外表面に分布する電荷によってすべて終端されるので(電気力線は、導体肉厚内には入らないので)、 導体外側の電気力線の分布(電荷の分布)は、中空部分の電界分布に影響しない。

もし、導体が接地してあれば、導体外部で電界はない。ゆえに導体外表面に電荷は分布していない。内表面に分布する−Q(c)の電荷は、接地を通して、どこかから供給される。 接地してもしなくても中空内の電荷分布に変化はない為に、中空内では、電界分布(電気力線の分布)に変化はない。


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