「電気力線」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、電界・電場について解説しました。今回は電気力線とう考え方を解説していきます！
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目次
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。
クーロン力
\( \displaystyle \large{F = k \frac{|q_1||q_2|}{r^{2}}} \)
- \(q_1\),\(q_2\) : 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\(9.0 × 10^9\)
クーロン力の向き
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。
「電気力線」で二次元での電界の方向の決まり方を確認しよう！
「電気力線」とは、各座標で電界ベクトルがどのような状態か見るための考え方で、↓のような図です。
電気力線の描き方は「各点で合成電界を計算してその方向を矢印で示す」です。合成電界とは、各電荷が生成する電界をベクトル的に足し合わせたものです。これを計算すると、↓のような図が描けるわけです。
電気力線の動きをシミュレーターで確認しよう！
それでは電荷が2つある場合の、電気力線をシミュレーターを使って描いて実験してみましょう！
シミュレーターの説明
- スライドバーによって左の電荷,右の電荷,2つの電荷の距離が変えられます
- 電荷はマイナスからプラスまで変更できます
- 電荷が決まると、各点で合成電界を計算して方向を図示します
- 電荷と距離を変えて、合成電界がどのように変わるか実験してみましょう
シミュレーター結果の要点
シミュレーターから、電場が↓のように決まるのがわかると思います。
プラス電荷から出て、一本の線を描いて、マイナス電荷に収束していく
実験してみると、↓のようにプラスから線がでて、マイナスに収束していくような絵が描かれることがわかります。
このように電界は一本の線を描くように、生成されるんです！これはすごく重要な性質です。
同じ電荷だと、互いに喧嘩して競合するような電界になる
実験すると、↓のようになるのがわかります。中央付近で反発しあっていますね。
[両方がプラス]
[両方がマイナス]
強い電荷に引きづられる
↓は右を強いマイナス電荷にした場合です。左側の引っ張る力が弱くなり、右側にベクトルの矢印が引っ張られているのが分かりますよね。
まとめ
- 各点での合成電界を計算し、図示したものを「電気力線」という
- 「電気力線」を描くと、どのように電界が張られるのか一目でわかる
- 同じ電荷は反発し、逆の電荷は引き合うのが図でわかる
次回はガウスの法則について解説していきます！
[関連記事] クーロン力・電場
4．電気力線(本記事)
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シミュレーターの作成方法を教えて欲しいです。