導体内・不導体内の電場と電位、グラフ解説

電磁気の基本である電場と電位そして電気力線の関係を正しく理解しましょう。
多くの人は、物理の専門用語をないがしろにしすぎです。
公式を覚え、解法をおぼえれば一定の点は取れるかもしれませんが、難関大学入試など根本的な理解を試される場では無力です。

第一、それは物理ではありません。暗記の訓練と計算練習ですね。
物理学はもっと深淵で面白いものなのです。
せっかく物理を勉強するのに、そのことを知らずにいるなんてもったいない。

用語でつまづいたらかならず調べて理解しましょう。
それが結局、物理学習の最短の道なのです。

導体内・不導体内の電場と電位、グラフ解説
まとめ
1. コンデンサーと電場と電位のグラフ

導体内・不導体内の電場と電位、グラフ解説

導体内部は電場が０です。そして電気力線は入り込むことができません。
これらのことは知っているとは思いますが、なぜだかはお分かりでしょうか？

また、導体・不導体内部における電位と電場、グラフの関係を説明していきます。

導体とは

まず導体とは何でしょうか？
導体・・・・金属などのように電気をよく通す物質、内部には自由電子が存在する。

では不導体とは？
不導体・・・誘電体ともいう。電気を通しにくい物質のこと。自由電子がない。木、ゴム、アクリルなど

さらには半導体もあります。
半導体・・・電気の通しやすさが導体と不導体の中間の物質

電気力線と電場そして電位の復習

以前の記事で詳しく解説していますので参考にして下さい。

これらの用語を自分の言葉で説明できないときは、ぜひもう一度学びなおしましょう！

電気力線とは？この記事を参照してください

電場とは？こちらの記事です

電位について・・・こちら

電場と電位の関係はこれ

ここでは簡単に触れておきます。

電場・・・電気による空間の変形　　具体的には $+1[c\:]$ の試験電荷を置いたときにはたらく力のこと
電気力線・・＋の電荷を電場に置いたときその電荷の運動する軌跡　電場大きさ $E$ のところでは $E\:本/m^2$ の密度で電気力線を引く　仮想的な線
電位・・無限の彼方から電位を考える点までに運ぶための仕事で示される　スカラー量
電位差・・文字通り電位の差をとったもの　電圧ともいう

なぜ電気力線は導体内部に入り込めないのか

電気力線は導体内部に入り込むことができません。
これは何を意味するか考えてみましょう。

電気力線は空間において、＋の電荷を離したときにその電荷が描く軌跡のことです。
電荷は電場からの力を受けて運動します。
したがって、電気力線がないということは、その空間内に電場がないということを示しています。

では導体内部では電場はない、すなわち０なのはどうしてでしょうか？

それは導体内部の自由電子の働きによるものなのです。
自由電子の働きにより、導体内部の電場はキャンセルされてしまうと考えればよいでしょう。

もし導体を含んだ空間が電場を形成しているしたら、導体内部の荷電粒子は全て電場から力を受けるでしょう。
その結果、自由電子はその電場からの力を受けて移動します。
自由電子は導体内部で、電場とは逆の電場を形成します。
そのため、外部電場と内部の自由電子による電場がちょうどキャンセルしてしまうのです。
よって、結果的には導体内部の電場がちょうど０になるまで自由電子の移動が起こるのです。

もし、自由電子が移動した結果、導体内部に電場がまだ存在しているとしましょう。
その場合、自由電子がその力を受けて移動するはずです。
そうして結局、導体内部の電場がちょうど０になるまで移動するというわけです。

したがって、この場合は導体内部の電場は必ず０になります。
そのため、導体内部には電気力線は存在することがありません。