静電気

何世紀も前に、特定の種類の材料が互いにこすり合わされた後、不思議なことに互いに引き付け合うことが発見されました。たとえば、絹をガラスにこすりつけた後、絹とガラスはくっつく傾向があります。確かに、2つの材料が分離されている場合でも実証できる魅力的な力がありました：

このように振る舞うことが知られている素材はガラスとシルクだけではありません。ラテックスバルーンをブラッシュアップして、それがそれらに固執しようとしていることに気付いた人は誰でも、これと同じ現象を経験しました。パラフィンワックスとウールクロスは、初期の実験者が一緒にこすった後に引力を発揮すると認識したもう1つの材料です：

この現象は、同じ素材がそれぞれの布でこすられた後、常に互いに反発することが発見されたときにさらに興味深いものになりました：

また、絹でこすったガラス片を羊毛でこすったワックスにさらすと、2つの材料が互いに引き付け合うことにも注意してください。

さらに、こすられた後に引力または反発の特性を示す任意の材料は、ガラスに引き付けられてワックスによって反発されるか、またはガラスによって反発されてワックスに引き付けられるという２つの異なるカテゴリーのいずれかに分類できることが見出された。それはどちらか一方でした。ガラスとワックスの両方に引き付けられたり反発したりする材料や、一方に反応して他方に反応する材料は見つかりませんでした。

摩擦を行うために使用される布片に、より多くの注意が向けられました。 2枚のガラスを2枚の絹の布でこすった後、ガラス片が互いに反発するだけでなく、布も反発することが発見されました。ワックスをこするために使用される羊毛にも同じ現象が見られます：

さて、これは目撃するのは本当に奇妙でした。結局のところ、これらのオブジェクトはどれも、こすることによって目に見えて変更されることはありませんでしたが、こする前とは明らかに異なる動作をしました。これらの素材を互いに引き付けたり反発させたりするために行われた変更は、目に見えませんでした。

一部の実験者は、摩擦の過程で目に見えない「流体」が1つのオブジェクトから別のオブジェクトに移動し、これらの「流体」が距離を超えて物理的な力を及ぼすことができると推測しました。シャルル・デュファイは、オブジェクトの特定のペアをこすり合わせることによって、間違いなく2つの異なるタイプの変更が行われたことを実証した初期の実験者の1人でした。これらの資料に複数の種類の変化が現れたという事実は、2種類の力が発生したという事実から明らかでした。引力 および反発 。架空の流体の移動は、電荷として知られるようになりました。 。

ある先駆的な研究者であるベンジャミン・フランクリンは、こすられた物体間で交換される流体は1つだけであり、2つの異なる「電荷」はその1つの流体の過不足にすぎないと結論付けました。フランクリンは、ワックスとウールを試した後、粗いウールがこの目に見えない液体の一部を滑らかなワックスから取り除き、ウールに過剰な液体を、ワックスに不足した液体を引き起こすことを示唆しました。結果として生じる羊毛とワックスの間の液体含有量の不一致は、液体が2つの材料の間の以前のバランスを取り戻そうとしたため、引力を引き起こします。

摩擦によって得られた、または失われた単一の「流体」の存在を仮定すると、観察された動作が最もよく説明されます。これらの材料はすべて、摩擦すると2つのカテゴリのいずれかにきちんと分類され、最も重要なのは、2つの活物質がそれぞれに摩擦したことです。他の常に反対のカテゴリに分類された お互いへの不変の魅力によって証明されるように。言い換えれば、2つの材料が互いにこすり合うことはありませんでした ポジティブまたはネガティブになりました。

ウールがワックスから何かをこすり落とすというフランクリンの推測に続いて、こすりつけられたワックスに関連する電荷のタイプは「負」として知られるようになりました（流体が不足していると考えられていたため）。ウールは「ポジティブ」として知られるようになりました（過剰な水分があると考えられていたため）。彼の無実の推測が将来電気の学生に多くの混乱を引き起こすことを彼はほとんど知りませんでした！

電荷の正確な測定は、1780年代にフランスの物理学者Charles Coulombによって、ねじり天秤と呼ばれる装置を使用して実行されました。 2つの帯電した物体間に発生する力を測定します。クーロンの研究の結果、彼に敬意を表して名付けられた電荷の単位であるクーロンが開発されました。 。 2つの「点」オブジェクト（かなりの表面積を持たない仮想オブジェクト）を1クーロンの大きさに均等に帯電させ、1メートル（約1ヤード）離して配置すると、約90億ニュートン（約20億）の力が発生します。ポンド）、関与する電荷の種類に応じて、引き付けるか反発するかのいずれか。電荷の単位としてのクーロンの操作上の定義（点電荷間で生成される力の観点から）は、約6,250,000,000,000,000,000電子の過不足に等しいことがわかりました。または、逆に言えば、1つの電子の電荷は約0.00000000000000000016クーロンです。 1つの電子が既知の最小の電荷キャリアであるため、この電子の最後の電荷の数値は、電気素量として定義されます。 。

この「流体」が実際には電子と呼ばれる非常に小さな物質で構成されていることが、ずっと後に発見されました。 、琥珀を意味する古代ギリシャ語にちなんで名付けられました。布でこすったときに帯電した特性を示す別の素材です。

原子の構成

その後の実験により、すべてのオブジェクトがアトムと呼ばれる非常に小さな「ビルディングブロック」で構成されていることが明らかになりました。 そして、これらの原子は、粒子と呼ばれる小さな成分で構成されています。 。ほとんどの原子を構成する3つの基本粒子は、陽子と呼ばれます。 、中性子 および電子 。原子の大部分は陽子、中性子、電子の組み合わせを持っていますが、すべての原子が中性子を持っているわけではありません。例としては、水素のプロチウム同位体（1H1）（Hydrogen-1）があります。これは、1つの陽子と1つの電子しかない水素の最も軽量で最も一般的な形式です。原子は小さすぎて見えませんが、原子を見ることができれば、次のように表示される可能性があります。

材料の各原子は1つの単位としてまとめられる傾向がありますが、実際には、電子と、中央にある陽子と中性子のクラスターとの間に多くの空きスペースがあります。

この大まかなモデルは、6つの陽子、6つの中性子、および6つの電子を持つ元素炭素のモデルです。どの原子でも、陽子と中性子は非常に緊密に結合しています。これは重要な品質です。原子の中心にある陽子と中性子の緊密に結合した塊は、原子核と呼ばれます。 、および原子の原子核内のプロトンの数によって、その元素の同一性が決まります。原子の原子核内のプロトンの数を変更し、原子のタイプを変更します。実際、鉛の原子の核から3つの陽子を取り除くことができれば、金の原子を生成するという古い錬金術師の夢を実現できたはずです。核内の陽子の緊密な結合は、化学元素の安定した同一性、および錬金術師が彼らの夢を達成できないことに責任があります。

中性子は、陽子よりも原子の化学的性質や同一性に与える影響がはるかに少ないですが、原子核への追加や原子核からの除去は非常に困難であり、非常に緊密に結合されています。中性子が追加または獲得された場合でも、原子は同じ化学的同一性を保持しますが、その質量はわずかに変化し、奇妙な核を獲得する可能性があります。 放射能などの特性。

ただし、電子は陽子や中性子よりも原子内を自由に動き回ることができます。実際、原子核内の粒子を取り除くのに必要なエネルギーよりもはるかに少ないエネルギーで、それぞれの位置からノックアウトすることができます（原子を完全に残すことさえできます！）。これが発生した場合でも、原子はその化学的同一性を保持しますが、重要な不均衡が発生します。電子と陽子は、距離を超えて互いに引き付けられるという点で独特です。電子が元の原子から離れて別のオブジェクトの原子の周りに存在する、摩擦されたオブジェクト間の引力を引き起こすのは、距離に対するこの引力です。

電子は、陽子が他の陽子と同じように、ある距離にわたって他の電子をはじく傾向があります。陽子が原子核内で結合する唯一の理由は、強い核力と呼ばれるはるかに強い力のためです。 これは非常に短い距離でのみ効果があります。個々の粒子間のこの引力/反発挙動のために、電子と陽子は反対の電荷を持っていると言われています。つまり、各電子には負の電荷があり、各陽子には正の電荷があります。原子内の同じ数では、原子内の正味電荷がゼロになるように、それらは互いの存在を打ち消します。これが、炭素原子の画像に6つの電子がある理由です。原子核内の6つの陽子の電荷のバランスを取るためです。電子が離れたり、余分な電子が到着したりすると、原子の正味電荷が不均衡になり、原子全体が「帯電」したままになり、近くの荷電粒子や他の荷電原子と相互作用します。中性子は、電子、陽子、さらには他の中性子に引き付けられたり反発したりすることはなく、その結果、まったく電荷を持たないものとして分類されます。

電子が到着または離脱するプロセスは、材料の特定の組み合わせが一緒にこすられたときに起こることです。一方の材料の原子からの電子は、こすりによってそれぞれの原子を離れ、もう一方の材料の原子に移動します。言い換えれば、電子はベンジャミン・フランクリンによって仮定された「流体」を構成します。

静電気とは

オブジェクト間のこの「流体」（電子）の不均衡の結果は、静電気と呼ばれます。 。変位した電子は、ある絶縁材料から別の絶縁材料に移動した後も静止したままになる傾向があるため、「静的」と呼ばれます。ワックスとウールの場合、さらなる実験により、ウールの電子が実際にワックスの原子に移動することが判明しました。これは、フランクリンの予想とは正反対です。フランクリンがワックスの電荷を「負」、羊毛の電荷を「正」と指定したことに敬意を表して、電子は「負」の電荷の影響を及ぼしていると言われています。したがって、原子が余剰の電子を受け取ったオブジェクトは、ネガティブであると言われます。 帯電しているが、原子に電子が不足している物体は正であると言われている これらの指定が思われるかもしれないのと同じくらい紛らわしい、請求されます。電気の「流体」の本質が発見されるまでに、フランクリンの電荷の命名法は確立されすぎて簡単に変更できなかったため、今日まで残っています。

マイケル・ファラデーは、静電気がバッテリーや発電機によって生成されたものと同じであることを証明しました（1832）。静電気は、ほとんどの場合、厄介です。黒色火薬と無煙火薬には、静電気による発火を防ぐために黒鉛が添加されています。敏感な半導体回路に損傷を与えます。静電気の高電圧および低電流特性を動力源とするモーターを製造することは可能ですが、これは経済的ではありません。静電気の実用的な用途には、電子写真印刷、静電エアフィルター、高電圧ヴァンデグラフ起電機などがあります。

レビュー：

• すべてのマテリアルは、アトムと呼ばれる小さな「ビルディングブロック」で構成されています。 。
• すべての天然に存在する原子には、電子と呼ばれる粒子が含まれています 、陽子 、および中性子 、軽水素同位体（ ₁ ）を除く H ¹ ）水素の。
• 電子には負（-）の電荷があります。
• 陽子には正（+）の電荷があります。
• 中性子には電荷がありません。
• 電子は陽子や中性子よりもはるかに簡単に原子から取り除くことができます。
• 原子核内の陽子の数によって、原子核が固有の元素として識別されます。

関連するワークシート：

• 静電気ワークシート
• 原子構造ワークシート