マイナスの電気を帯びたものへ引き寄せられたからといって、相手が全体としてプラスの電気を帯びていたとは限りません。帯電していない金属でも、中の電気の偏り方が変わり、引き寄せられることがあります。「異なる種類の電気は引き合う」という知識と、「引き合ったから種類が決まる」という判断は、同じではないのです。
ここでは、帯電していない金属の物体へ、マイナスに帯電した棒を、触れさせずに近づける場合を考えます。金属は絶縁物の台に置き、人の手にも触れていないものとします。接触や接地があると電気が出入りする可能性があるため、まずは条件を分けて考えましょう。
「帯電していない」は、電気が何もないことではない
物体にはもともと、プラスとマイナスに関係する電気が存在します。それらが全体としてつり合っているとき、帯電していない状態として扱います。電気に関係するものが一切入っていない空っぽの物体、という意味ではありません。
金属の中には動きやすい電子があります。電子はマイナスの電気を持っています。外から帯電した棒を近づけると、その影響で電子の分布が変わります。ここは少し発展的な説明ですが、新しい名前をたくさん覚えるより「金属の中で、動けるものが場所を変える」と捉えてください。
マイナスの棒が近づくと、金属内の電子は棒から遠い側へ偏ります。棒に近い側では電子が相対的に不足してプラス側に、遠い側では電子が多くなってマイナス側に偏ります。金属全体から電子が出ていったわけではないので、全体としての電気のつり合いは保たれています。
全体のつり合いと、場所ごとの偏りは両立する
図のプラスとマイナスは、金属内の電気の偏りを模式的に示しています。金属の原子の数をそのまま描いた図ではありません。プラスの粒が金属の中を大移動した、と読まないようにしましょう。この説明で動かしているのは、主に電子です。
棒に近い側のプラスの偏りには、マイナスの棒から引き合う作用が働きます。遠い側のマイナスの偏りには反発する作用もありますが、距離などの関係で、金属全体としては棒へ引き寄せられます。電気の量の合計がつり合うことは、外の棒から受ける力まで必ずつり合うことを意味しません。
このように、近くの帯電した物体の影響で金属内の電気が偏る現象を静電誘導といいます。用語を覚えた後も、説明を「静電誘導だから」で止めないこと。棒に近い側と遠い側のどちらに電子が偏るのかまで図に戻って確かめると、言葉に中身が伴います。
引き合う観察だけでは、相手を決めきれない
プラスに帯電した小さな物体とマイナスに帯電した小さな物体は、基本的には引き合います。しかし、帯電した棒と、帯電していない金属の組でも引き合うことがあります。したがって「引き合う」という結果だけを取り出して、相手の帯電状態を一通りに決めることはできません。
この判断は、答えをあいまいにするためのものではありません。複数の説明が成り立つときに、一つだけを確定しないという実験の読み方です。問題文が「二つとも帯電している」「小さな物体として考える」などの条件を与えていれば、その条件を使って判断の範囲を狭めます。
金属に棒を触れさせたり、指を触れさせたりした後まで、同じ図を使い続けるのは避けましょう。接触によって電気が移動する場合があります。「近づけた」「触れた」「離した」の順番を飛ばすと、途中の状態と最後の状態が混ざってしまいます。まずは触れない実験を一つ説明し、その後で条件の違う実験へ進む方が確実です。
例題1｜結果から言いすぎた文を直す
マイナスに帯電した棒に、金属の小さな物体が引き寄せられました。接触はさせていません。「この金属は、実験前から必ずプラスに帯電していた」と結論づけた人がいます。この文を、その観察だけから言える内容に直してください。
答え・解説：「棒へ引き寄せられたことは分かるが、実験前からプラスに帯電していたとは、この観察だけでは決められない」とします。帯電していない金属でも、棒の影響で電子が偏って引き寄せられる場合があるからです。単に「分からない」と答えるのではなく、別に成り立つ説明を示すと、判断の根拠が伝わります。
例題2｜二つの模式図を選び直す
帯電していない金属へ、左からマイナスの棒を近づけます。図Aは、金属全体をプラスだけで描いています。図Bは、左側をプラスの偏り、右側をマイナスの偏りとして、両者の量がつり合うように描いています。電子の出入りがない条件では、どちらが適切ですか。棒を遠ざけた後も説明してください。
答え・解説：Bです。金属の中で電子の分布が変わっても、出入りがなければ全体の電気のつり合いは変わりません。棒を十分に遠ざけ、ほかの帯電したものの影響もなければ、この棒による偏りはなくなります。Aでは電子がどこへ出ていったのか説明できず、触れないという条件とも合っていません。
磁石に似た言葉でも、同じものとして扱わない
静電気でも磁石でも「引き合う」「反発する」という言葉を使います。しかし、静電気のプラス・マイナスと、磁石のN極・S極は別のものです。磁石と鉄の見分け方と比べると、観察結果からどこまで判断できるかを考える練習にはなりますが、仕組みまで同一とはしません。
また、直列回路の電流で扱う、回路を通る電気の流れと、このページで扱った金属内の一時的な偏りも分けて整理します。名前を増やすより、物体全体を見る場面なのか、内部の左右を見る場面なのかを切り替えられることが、説明の精度を上げてくれます。