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2024.05.10 NEW 静電気

静電気発生の仕組み・帯電の種類

静電気といえば
ドアノブに触った瞬間や車のドアに触った瞬間の「バチッ」っと感じるのをイメージするけど
すごく痛くて不快だよね・・・。この現象はどうやって発生しているの?

 バチッとくる静電気、痛くて不快、でもなんでそうなるか?不思議だよね。
実は静電気には発生する仕組みがあるんだ。
一体どのような仕組みなの?
教えて…

静電気って?

実は静電気の正体は・・・
「電子の移動」なんだ!
???
どういうこと?
もう少し詳しく教えて…
静電気は2つの物質が、摩擦したり剥離したりする際に、それぞれの物質の電子が原子間を移動することで発生するんだ。地球上の自然な状態の中で、「物質が存在すれば必ず静電気が発生する」と考えられているんだ。
例えば、金属のドアノブを触ったときにバチッとくるよね?
それも静電気による痛みなんだ。

まず、物質は原子と原子の組み合わせで出来ているんだ。
その原子には「マイナスの電子」と「プラスの陽子」で構成された原子核が含まれているよ。

通常は、図1のようにマイナスの電子とプラスの陽子の数が同じ状態を中和状態といい、静電気が発生していない状態を表しているんだ。

一方、図2のように電子の数が陽子よりも多い場合を『+に帯電』、電子の数が陽子よりも少ない場合はを『-に帯電』しているというんだ。
この帯電した状態を『静電気』と呼ばれているんだよ。

図1
図2

導体と絶縁体

世の中の物質には、 電気を通しやすいものと通しにくいものがあるんだ。
よく「ゴムは電気を通さない」って聞くよね。おおまかにいうと以下のように分類されているんだよ。

導体:金属などの電流が流れやすい物質
絶緑体:プラスチックなど電流が流れにくい物質
半導体:導体と絶縁体の中間の電流の流れやすさを有する物質

そうなんだ!
この帯電っていうのはどういう状況で起こるのかな?
じゃあこの「帯電」はどのように起こって、どのような種類があるか、ということについて説明していくね。

①接触帯電

2つの物体が接近し接触することによって物質をプラスまたはマイナスに帯電することだよ。

接触することによりそれぞれの原子にある電子が移動し
片方の物質から電子(マイナス)が飛び出し、飛び出した電子(マイナス)は接触しているもう片方の物質に飛び込み
マイナスに帯電するんだ。
イメージとしてはこんな感じだね。

接触前

接触時

分離後

このように2つの物体が接触するときは電荷の分離が起こって静電気が発生するんだ。
この接触帯電から、この後紹介する帯電に発展することになるんだよ。

②剥離帯電

接触している物体を剥離(分離)するときに発生する帯電現象だよ。
例えば粘着テープをはがすときに発生しているんだ。密着度や剥離速度によって帯電量が変わるんだよ。

密着度や剥離速度によって帯電量が変わるんだよ。
イメージとしてはこんな感じだね。

③摩擦帯電

接触している物体の接触面が擦れることで発生する帯電現象だよ。
実は接触帯電よりも多く帯電しているんだ。これは摩擦によって表面の凸凹が擦り合わされることで、摩擦される面が増えるから、と考えられているね。

④誘導帯電

これは物質が導体の時だけ起こる現象だよ。
導体は電気を通す物質を指しているよ。

物体に帯電物が近寄ると物体の反対側には逆に帯電した状態が発生します。例えばプラスの帯電帯が導体に近づくと、導体内の電子(マイナス)が移動し、導体の帯電体側の表面にマイナスの電荷が表れる状態だね。
こんなイメージだよ。

帯電列

先に説明したように2種類の物質がしたとき、一方の物質はプラスに、もう片方の物質はマイナスに帯電するよね。

このとき、接触・剥離した際にどちらがプラスかマイナスになるかは物質の種類によって決まっていて、

プラスに帯電しやすい物質からマイナス帯電しやすい物質を順に並べた一覧を帯電列というんだ。

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