電場(電界)と点電荷のつくる電場
着眼点電場は「+1\ \mathrm{C} を置いたら受ける力」。正電荷から出て負電荷に入る向き。複数の電荷があればベクトルで重ね合わせる。
\vec{F} = q\vec{E},\qquad E = k\frac{Q}{r^2}\ \ (\text{点電荷 } Q \text{ から距離 } r)
単位は \mathrm{N/C}(=\mathrm{V/m})。
例題
1
点電荷 +2.0\times10^{-9}\ \mathrm{C} から 0.30\ \mathrm{m} 離れた点の電場の強さを求めよ。k=9.0\times10^9\ \mathrm{N\cdot m^2/C^2} とする。
解答
E = 9.0\times10^9\times\frac{2.0\times10^{-9}}{0.30^2} = \frac{18}{0.090} = 2.0\times10^2\ \mathrm{N/C}向きは電荷から遠ざかる向き。
2
x軸上の x=-0.10\ \mathrm{m} に +1.0\times10^{-9}\ \mathrm{C}、x=+0.10\ \mathrm{m} に -1.0\times10^{-9}\ \mathrm{C} がある。原点の電場の強さと向きを求めよ。k=9.0\times10^9\ \mathrm{N\cdot m^2/C^2} とする。
解答
各電荷がつくる電場の強さはk\frac{Q}{r^2} = 9.0\times10^9\times\frac{1.0\times10^{-9}}{0.10^2} = 9.0\times10^2\ \mathrm{N/C}正電荷による電場は正電荷から離れる向き(+x)、負電荷による電場は負電荷に向かう向き(+x)。同じ向きなので足して 1.8\times10^3\ \mathrm{N/C}、+x 向き。
ポイント電場の向きは「その点に正の試験電荷を置いたらどちらへ押されるか」で決める。
注意負電荷が受ける力は電場と逆向き。電子の運動を考えるときに向きを取り違えやすい。
確認問題
1
電場 3.0\times10^3\ \mathrm{N/C} の中に -2.0\times10^{-6}\ \mathrm{C} を置いた。力の大きさと向きは。
答え
6.0\times10^{-3}\ \mathrm{N}、電場と逆向き