質問したい!

解説はMicrosoft PowerPointを用いて作っています。このセクションは作り始めた初期のものなので、大幅に更新していきます。更新中のものは、目次とスライドとノートで構成されています。ノートの部分を表示してご覧下さい。

電気と磁気
電荷と帯電

電気現象・磁気現象は全て電荷が原因です。電荷が電場を作り、電荷の運動にともなう電場の変化が磁気作用を生みます。そして電荷の最小単位は電子や陽子一個が持つ素電荷と呼ばれる量です。まずは身の回りにあふれている帯電現象に注目しましょう。

導体と絶縁体 電気を通す導体と通さない絶縁体。掘り下げると非常に深くおもしろい。でもここでは初歩的なことを学びます。特に金属はよい電気伝導体。これは金属を構成する原子の最外殻電子は、常温の状態で原子から自由に離れていくことができるためです。これを自由電子と呼びます。この自由電子の存在が、電気伝導性や熱伝導性、はたまた光の反射にまで大きな役割を果たします。
クーロン力と電場 さていよいよ電荷同士の相互作用の問題です。特に、「場」の考え方は大切です。電荷はその周囲の空間に電場をつくります。その電場の中に置かれた別の電荷は、始めの電荷が作った電場から力を受けます。こんなことを考えるのも、電荷同士の相互作用(クーロン力)は非接触でも伝わるからです。
ガウスの法則 ガウスの法則は、電荷と電荷がその周囲に作る電場との関係を表します。ここではその積分形だけを学びます。電荷を含むある閉曲面を考えると、その曲面上には電荷がつくる電場が存在します。その電場を曲面全体で積算すると、ちょうど電荷量に比例する量になります。やや抽象的だけれど、本当は味わい深い法則。
電位と電位差 日ごろ「電圧」という言葉をよく耳にします。それはどういう概念なんでしょう。「ボルト」は電圧の単位ですが、テレビなどで「百万ボルトの電流」なんて言ったりします。これは変です。電圧は電位の差。そして電位とは電気的なポテンシャルエネルギー(位置エネルギー)です。エネルギーに密接な概念です。ここではまた、電場と電位の関係を重視して学びます。
静電容量 2つの導体が反対符号に帯電していると、導体の間には電位差が生じます。このとき、帯電量と電位差の比を静電容量とよび、その導体がどの程度帯電するかを示す指標となります。特に平行板コンデンサーについて学びます。
電流 電流は電荷の流れ。では「流れ」とはどういうものでしょう。どのように表すことができるのでしょう。また、電流にもいろいろなものがあります。電荷が実際には流れないのに電流と呼べる現象があります。それは電場の時間変化です。
抵抗とオームの法則 オームの法則はとても便利な法則。でもその背景を知っておきたい。オームの法則が成立するようなとき、電流はどんな風に流れているのか、改めて学びます。
磁場 磁場の源泉は電荷の運動、電場の時間変化です。電荷が静止しているときとはまた違って見える相互作用が生じる。元は電荷ですが、電場とは別に磁場として捉えたほうが現象を把握しやすいのです。
電磁誘導 電磁誘導は特別な新しい法則ではありません。ここまでの話で理解できる現象です。でも、「電磁誘導」と名前をつけて特に注目することによって、記憶しやすくなるのです。
電磁波と電波 電磁波は電場・磁場の振動が空間を伝わるものです。電磁波は真空中でも伝わります。電波や光は電磁波です。電磁波の振動数や物質中での伝わり方によって、電磁波が物体に及ぼす作用も様々です。本当におもしろい分野です。「振動と波動」で多くのことを解説しますので、ぜひ見て下さい。
また、電磁波のなかでも振動数の低いものを、私たちは通信などに用いています。では、ラジオ、携帯電話、衛星通信などはどんな風にして信号を伝えるのでしょう。なぜ遠くまで伝わる放送や近くしか伝わらない放送があるのでしょう。
簡単な計算問題集 電磁気関係の簡単な計算問題です。復習になります。どの問題も非常に簡単な計算だけでできます。いつも定義に戻って考えるようにしてください。

 

電気と磁気
電場
ガウスの法則
電位
容量及び誘電体
  • 容量の定義
  • 容量の計算
  • 帯電したコンデンサーに蓄えられているエネルギー
  • 誘電体を挟んだコンデンサー
電流と抵抗
直流回路
  • 起電力
  • 直列接続および並列接続した抵抗器
  • RC回路
  • 磁場
    磁場の発生源
    • ビオ-サヴァールの法則と磁場の発生源
    • 2本の平行な導線間の磁気力
    • アンペールの法則
    • ソレノイドのつくる磁場
    • 磁束
    • 磁気に関するガウスの法則
    • 変位電流と一般化したアンペールの法則
    • 物質内の磁気
    • 地球の磁場
    ファラデーの法則
    • ファラデーの電磁誘導の法則
    • 運動起電力
    • レンツの法則
    • 誘導起電力と電場
    • 発電機とモーター
    • 渦電流、動く一円玉
    • マクスウェルの素晴らしい方程式
    電磁波
    • 電磁波、電磁波が運ぶエネルギー
    • アンテナによる電磁波の発生
    • 電磁波のスペクトル