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電気力線が見えた!

みなさんこんにちは。技術教育センター長の前川(まえがわ)です。

4月に新入社員が入社して元気に新人研修を受けています。その研修講座の一つに電磁気学があり私が教えているのですが、今回はその講座でのエピソードをご紹介します。

 

 

 

このブログでは、当社メインキャラクターの「なみりん」(当社へ入社志望の女の子)と、イッくんとのインタビュー形式でお送りします。(イッくんは下名のニックネームです(イクセイ))

 

 

 

■なみりん: 新入社員が研修で学んでいる電磁気学講座で、面白い実験をしたと聞いたんだけど、どんな実験ですか?

■イッくん: 電磁気学講座ではまず電荷に働くクーロン力などの静電気力を学びますが、最初にその力を体感するために、ストローを使った簡単な実験をしました。下の写真のように、一つのストローを紙で擦った後、爪楊枝を刺して回転できるように机にセットし、もう一つのストローも擦って手で持って近づける実験です。小学生みたいな簡単な実験ですが、その結果、新人の予想どおり、手に持ったストローを近づけるだけで爪楊枝のストローが反発して回転し始めました。この原因は帯電した電荷同士のクーロン斥力であり、帯電した電荷は目には見えないので魔法のように不思議な現象で、私も改めて子供のように感動しました。

■なみりん: 面白そう、私もやってみたいなあ。でもストロー同士ではなく他の物だったらどうかな?

■イッくん: さすが、好奇心があっていいですね。帯電させた爪楊枝のストローに近づける物を次のように変えてみました。ただし、どれも擦っておらず帯電はさせていません。

(1)金属クリップ (2)水(ペットボトル) (3)指

なみりんはどうなると思いますか?

■なみりん: そうね、金属は電気を通すので電気が抜けるから反応しないかな? 指とか水は絶縁体なんだけど擦ってないから、やはり反応しないと思うわ。どうかな?

■イッくん: では実験結果を発表しましょう。
(1)の金属クリップでは、爪楊枝ストローがクリップに引き寄せられ引力が働きました。これは、電磁気学講座の中で「鏡像効果(影像効果)」として習う効果で、下図のように金属の表面に帯電ストローとは逆の電荷が現れたので引力が働いたのです。金属には、自由に移動できる自由電子が多数存在し、外部からの電界の影響で表面に集中したり、追いやられたりします。それにより逆の正電荷(電子の抜けた陽子)も金属の反対側に発生します。このときのストローからの電気力線は、クリップ内において帯電ストローの対称位置に逆電荷の鏡像ストローが存在するかのように分布します。

■なみりん:磁石ではないのに金属に引き寄せられるなんて不思議だわ~
では、指や水はどうかな?

■イッくん: (2)の水と(3)の指でも、金属同様に引力が働きました。これらは、擦ってないですし、絶縁物なので自由電子は無いのですが、どちらも誘電体なのでその効果が現れます。誘電体とは電流は流れませんが電気力線の一部を打ち消す特性のある絶縁体のことです。水は水分子H2Oの酸素と水素の正負原子に位置的な偏りがあり、電気力線を打ち消す特性を表す比誘電率が80.4とたいへん高い誘電体です。この水に下図のように帯電したストローが近づき電荷からの電気力線が到達すると、それにより水分子が回転して向きが揃い誘電分極という現象を起こします(水の場合は配向分極という)。その結果、水の塊としても正と負の極性を持ち、その表面にやはりストローと逆の電荷が現れたので引力が働いたのです。もうひとつの指はほとんど水分なのでやはり水分子が誘電分極して帯電ストローと引き合ったというわけです。

■なみりん: へぇ~、どちらも帯電させなくても反応するんだ。

■イッくん: 小学生では帯電したもの同士の実験までですが、電磁気の実験では鏡像効果や誘電分極も体験できるので面白いですね。講座では、この静電気の実験の後に、クーロン力やガウスの法則、鏡像効果、誘電体、コンデンサ理論を順に学習していきますが、この実験を思い出しながら理論を学ぶことで、電荷の動きや電界を作る電気力線が「目で見える」ようになってもらいたいと思っています。電気力線は、コンデンサの動作原理だけでなく、電子回路の信号遅延やノイズの原因になる配線間の寄生容量などを考える上でとても重要な概念です。アンテナやモーターの動作でも磁力線とともに動作理論の要です。

当社の新人向け基礎工学講座ではこの電磁気学をはじめ、電気電子回路論、高周波回路の基礎、半導体概論の4科目を月に各1~2回開講しており、一方的な理論の講義だけではなく実験や実習を実際に体験しながら工学理論を1年間学習します。これにより、電気系出身の新人は、電気の基礎を深く学び直し担当の技術課題を根源的に解決できるとともに、電気系以外の新人でも電気の基礎を最初から理解して当社の様々な業務を担当できるように成長していくことができます。

■なみりん: そうなんですね、よくわかりました。電磁気学って、微分や積分が出るから難しいと思っていたけれど、触れずに物を操れる魔法使いになれそうで面白いわね。私もストローを回して電気力線を探してみるわ!

 

最後までお読みいただきありがとうございました。では、次回をお楽しみに~。

 

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