DS930810のブログ

筆者は自然や自然現象に関心が相当あるので自然に関する記事(天文, 地理, 生物)を書いていきたいと思います。かつては1日2記事を適当な時間に投稿していましたが今のところは午後6時に1記事投稿する形にしています。

電荷と質量 実は大きな関係があった?

 今日書く記事は力と電荷についてです。電荷と力、一見関係なさそうですが実際には相当関連性があります。

目次

1. 質量による力

 前にも載せましたが質量による力の式を載せます。

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 このように力は質量があるもの同士に働き、お互いの質量の積に比例し、距離の2乗に反比例します。お互いの質量が1 ㎏、距離が1 mの時にかかる力は6.67259×10のマイナス11乗ニュートンと非常に小さく、この値を万有引力定数と言います。

 実は電気に関わる時の式もこの式と非常によく似ており...

2. 電荷とは?

 1の話は質量についての話でしたが今回の話は電荷についての話です。

 電荷とは素粒子が持つ物理量であり、電子は負電荷、陽子は正電荷を持っています。電荷の単位はC(クーロン)と呼ばれ、電流(A)に時間(s)をかけたものであるので1クーロンを言い換えると1秒間に1アンペアの電流によって運ばれる電荷のことです。

 ここまでは電荷についての話であったが実は電荷を持つもの同士では力を及ぼしあっているのです。例を挙げると静電気のことであり、静電気が発生するともの同士がくっつきあいます。

 あの現象は引き付けあうもの同士に電荷が発生しており、電荷によって引き付ける力が生じているからです。そして、あの力も質量があるもの同士によって生じる万有引力と非常によく似たものであり、質量が電荷に置き換わったものとして考えていただければよろしいです。

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 電荷による力の式は上記のようになりますがこの式は万有引力の式と非常によく似ています。万有引力の時は質量の積に比例していましたが上記の式は電荷の積に比例しており、定数の値が異なるだけで他は全く同じ式となっています。ここでの定数はクーロン定数と呼ばれ、大きさは90億程度と万有引力定数とは比較にならないほど大きい値となっております。

 具体的に言いますと大体万有引力定数の1.35×10の20乗倍程度と非常に大きく、電荷による力は万有引力とは比較にならないほど強力だと言えます。

 もし、1クーロン同士の電荷を持つ物体が1メートル離れた所にあるとするとその力は1.16×10の10乗 ㎏、即ち1160万トンの2つの物体が1メートル離れた所にある万有引力と等しくなります。

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 このように電荷の力と万有引力では力が桁違いであるが他にも違いがあります。それは質量には負のものが無いが電荷は正と負の両方があり、同じ符号だと反発し、違う符号だと引き合います。

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 このように質量は正のものしかないが正のもの同士で引き合い、それとは逆に電荷は同符号のもの同士だと反発し、異符号のもの同士だと引き合います。もしも負の質量があったとするならば万有引力で反発すると考えられます。万有引力で反発という言葉もおかしいですが...

 上記の説明より質量と電荷は性質が似ているが電荷のほうがはるかに力が大きく、更に正負があるという違いがあります。 

3. では、他の性質については?

 ここまでは電荷と質量の関連性について書きましたが今度は電圧について書いていきたいと思います。

 まず、位置エネルギーについて書きますと位置エネルギーとは質量を持つ物体がある高さにいるときに持っているエネルギーのことであり、質量と重力加速度、そして高さの積に比例しています。そして、電荷に関しても位置エネルギーが存在し、こちらは電荷と電場、そして基準点からの距離に比例しています。

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 このような感じで質量と電荷、重力加速度と電場は相互関係になっています。

 では、電場は何かと言いますと具体的に書くと非常に面倒なことになるので非常に簡略化して書きますと電圧を距離で割った物理量のことです。要するに電圧は重力による位置エネルギーのghの部分に相当し、質量でいう所の重力加速度と高さの積になります。

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 結論を書くと電圧はエネルギーを電荷で割った物理量のことであります。

 重力と電場、一見関係なさそうなものも実は非常に似通っており、電場も一種の重力と考えることができます。