ETV高校講座基礎物理箔検電器のハクの開きが小さくなる現象の解明

ETV高校講座基礎物理　講座では、DC高電圧をハク検電器に与えれば、ハクが開くと考え、電池端子の片側プラス極だけをハク検電器に与えた。ところが電池端子のマイナス極側は端子を開放したため、ハク検電器のハクとマイナス極リード線は、宙ぶらりんの浮遊容量を伴う微小な静電結合となった。

(10本の電池ボックスの黒リード線が電気的に浮いています。)

ハク検電器のハクは、帯電した同じ極の電荷Q[C]同士が反発力で開く。

ここで、ハク検電器は少容量C[F]のコンデンサを形成する。

すなわち Q=CV　の電荷Q[C]がハク検電器には帯電する。

ここで電極に与える電圧、V=1200V　の場合でも、例えばC=3pF程度の微小容量のコンデンサがハク検電器と電池間に形成されると考えると、ハク検電器のコンデンサ構造には微小の電荷Qしか充電されない。

これが、ハク検電器があまり開かなかった原因かな。

解決には、ハク検電器の、等価コンデンサ容量が大きくなる工夫が必要。

(解決案の例)

(実験による検証が必要ですのでご注意願います。)

講座の実験では V=1200[[V]の高電圧でも、それほどハクを大きく開くことが出来ない理由は、電池のマイナス側の黒いリード線が宙ぶらりんで、電気回路ではしばしばフローティング状態

と呼ばれるような、静電容量の小さいコンデンサが、等価的にハク検電器に形成されたためかもしれません。

(写真を注意して良くみると、四角い箔検電器の箱の下側になにか金属板があるようにも見えるので、説明に無い何かに黒リード線が接続されてみえます。)

これにより、充電される電荷が小さく、ハク間の静電気力が弱く、ハクを大きく開くことはできなかったと思われる。

静電気力（クーロン力）は f=k*Q1*Q2/r^2 だから、ハク検電器のハク同士は、電荷Qが反発しあう力fが、電圧ではなく電荷量に比例する。

・・・と思います。

（訂正： Q=CV より、クーロン力は帯電時の電圧にも比例します。）

参考にしたサイト：

「電気の正体は何だろう　～静電気と電流～」(C) ETV/NHK様

補足説明：

「静電誘導」と「帯電」の物理現象の違い。

「静電誘導」：　エボナイト棒や塩ビ・パイプを毛皮や布でこすると、それら不導体内部にあった自由電子が、それら不導体の表面に出てきてマイナス電位に帯電するか、不導体内部の自由電子が奪われて正孔と呼ばれる電子のたりない状態でプラス電位に帯電する。

これらの帯電した不導体を金属に接っしないように近づけると、金属表面には、帯電した静電気に引かれて、自由電子が近づくか、または、自由電子が逃げて正孔と呼ばれる状態になる。

この現象を、「静電誘導」と呼んだと思います。

この講座では、塩ビパイプをハク検電器の電極に近づけたときに、ハクが開く現象は、

「静電誘導」という現象と思います。

「帯電」：　

一方、上記実験で、電池の電極をハク検電器に接触させたときに、ハク検電器に

起こる現象は、「帯電」と呼ばれるコンデンサとしてハク検電器を使う場合と思います。

「静電誘導」と「帯電」の現象は、物理現象としては異なる概念なので、混同しないように実験結果を見るようにする注意と説明が必要と思います。