「電界・電場」をシミュレーションで理解しよう！[物理入門]
2021-10-24 
前回の記事で、複数の電荷がある場合のクーロン力について解説しました。今回は電界・電場とう考え方を解説していきます！
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クーロン力のおさらい
最初に前回記事のおさらいです。2つの電荷にかかるクーロン力は↓のように計算できます。
\( \displaystyle \large{F = k \frac{|q_1||q_2|}{r^{2}}} \)
- \(q_1\),\(q_2\) : 電荷1,2の電気量[C]
- \(r\) : 2電荷間の距離[m]
- \(k\) : 比例係数で、真空中で\(9.0 × 10^9\)
2電荷が同じ符号の時：離す方向
2電荷が違う符号の時：引き合う方向
大事なポイントは「2つの電荷は近づくほど強くなる」「電荷の符号が同じか否かで方向が変わる」です。↑のように、電荷の符号のパターンでかかる力の方向が変わるんですね。
対象電荷と電場に分けて考えると都合が良い！
今まで考えてきたクーロン力ですが、2つの電荷が存在して初めて発生する力です。しかし、それだと考察しにくいため、↓のように考え方を変えてみます。
電荷\(q_2\)を1つ置くと、電場・電界\(\vec{E}\)が発生する。
そして、そこに電荷\(q_2\)を置くと、クーロン力 \(\vec{F}\) = \(q_2\) \(\vec{E}\)が発生する。
電荷単独でも電場・電界\(\vec{E}\)とうベクトルが発生すると考えです。このように考えるためには、1クーロン置いた時のクーロン力を先に計算し、後に電荷 \(q_2\)を計算すればよいという事になります。
そこで、↓のように\(\vec{E}\)を定義します
\(\displaystyle \vec{E} = \frac{\vec{F}}{q_2} \)
\(\displaystyle Eの大きさ = \frac{F}{q_2} = k \frac{|q_1|}{r^{2}} \)
- 単位 : [\(N/C\)]
このように、電荷1と力を及ぼす先の電荷2を分離することで、単独の電荷が電場・電界を貼るという考え方ができ、考察しやすくなります。
これをシミュレーターで確認しましょう！
電場・電界をシミュレーターで確認しよう！
電荷1つ置いたときに、生成される電場・電界を確認してみましょう！
- スライドバーによって中央の電荷が変えられます
- 電荷は赤色でプラス、青色でマイナスを表します
- シミュレーターの下に生成される電場・電界をグラフで表示します。このグラフはプラス方向を離す力、マイナス方向を離す力として表現しています
- 電荷の符号を変て、電場・電界がどう変わるか確かめてみましょう
- わかりやすいように、両方向に2つのプラス電荷を配置しています。力がどう変わるかも確認してみましょう
シミュレーター結果の要点
シミュレーターで電荷を前後すると、電荷が大きいほど生成される電場・電界が大きくなります。また、当たり前ですが↓のように電荷から離れるほど急激に電場・電界が小さくなることは重要です。
また、電荷の符号が逆になると、↓のように逆向きにクーロン力が働くため、電場・電界も逆向きになることを意識しておきましょう！
次回は、この電界の考え方を使って、電気力線を描いてみます！
- クーロン力は電界2つあって初めて発生する力であるが、それだと計算しにくい
- 「1つの電荷が全体に電場(電界)をつくり、その電場と2個目に置いた電荷によりクーロン力が発生する」と考えるようにする
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