電荷とは何か？定義、種類、例
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- 1. 1Cの定義
- 2. 電荷の基本的性質：
- 3. 電荷には2つの種類があります：
- 4. 電荷の基本的特性：
- 結論：
電荷は、電子工学において最も基本的かつ根本的な量です。電荷とは、一部の素粒子が持つ物質の基本的な性質であり、粒子が電場や磁場によってどのような影響を受けるかを決定します。そして、電池（または電源）からエネルギーを運びながら回路内を流れる電荷の流れは、電気として知られています。電気が流れるためには、電池からワイヤーを通り部品を経由して再び電池に戻る、完全な回路が存在しなければなりません。メートル・キログラム・秒単位系およびSI単位系における電荷の単位はクーロンであり、電流が1アンペアの値を持つときに、毎秒電気回路内の導体の断面を流れる電荷の量として定義されます。
私たちは、電気が電池の正極（+）端子から負極（-）端子へ流れると言います。正の電荷を持つ粒子がこの方向に回路内を流れると想像できます。この電気の流れは慣用電流と呼ばれ、電子工学全体で使用される流れの方向です。しかし、これは完全な答えではありません。なぜなら、実際に移動する粒子は負の電荷を持ち、それらは反対方向に流れるからです！この記事では、電気と電荷についてさらに詳しく見ていきましょう。
1. 1Cの定義
1 Cは、ワイヤーを流れる電流が1 Aである場合に、1秒間にそのワイヤーを流れる電荷として定義できます。1クーロンは、6.24 × 1018個の自然電荷単位（個々の電子や陽子など）から構成されます。アンペアの定義から、電子自体は1.602176634 × 10−19クーロンの負の電荷を持ちます。電気化学的な電荷の単位であるファラデーは、金属の電気めっきなどの電気分解反応を説明する際に有用です。1ファラデーは96485.332123クーロンに等しく、これは1モルの電子（すなわち、アボガドロ数、6.02214076 × 1023個の電子）の電荷です。
2. 電荷の基本的性質：
互いに反対の性質を持つ電荷は引き合う傾向があります。同じ性質の電荷は互いに反発します。それらは以下の通りです：
例えば、2つの陽子と2つの電子は互いに反発します。陽子と電子は互いに強く引き合います。これらの特性は、電荷の種類、またはそれらに作用して流れの方向を調整する力によって決まります。それらが持つ電荷の種類は異なります（陽子は1.6 x 10-19 Cの電荷を持ち、電子は-1.6 x 10-19 Cの電荷を持つことに注意してください）。陽子と電子は同じ大きさの電荷を持ちますが、その性質は反対です。電荷の記号は「q」または「Q」です。原子内の電子の総電荷は、電子の数に1個の電子の電荷を掛けたものに等しくなります。この定義によれば、電荷の公式は次のように書くことができます。
Q=ne
ここで、Qは総電荷、eは単一の電子の電荷、nは電子の総数を表します。物体の電荷は、期待値と比較することによって測定できます。研究によると、電子の電荷は1.6 x 10-19 Cです。
3. 電荷には2つの種類があります：
正電荷：
正電荷、つまり陽子の電荷は+1.6×10-19クーロンです。正電荷を持つ電界線は内部から発生し、無限遠まで伸びます。
負電荷：
負電荷、つまり電子は-1.6×10-19クーロンです。負電荷を持つ電界線は無限遠からやって来ます。
電荷によって、髪の毛の束が定規に引き寄せられます。同様に、風船を髪の毛でこすると髪の毛が風船に引き寄せられます。しかし、2つの風船を同時に触れると、風船同士は反発しますが、髪の毛の束は引き寄せられます。
電流は、電荷が流れる割合です。
q/t = I
4. 電荷の基本的特性：
1) 電荷の加法性
点電荷と見なされる場合、電荷はスカラー量です。電荷は点電荷であり得ますが、それでも正と負の電荷であることに注意する価値があります。内部にn個の電荷がある場合、電荷の加法性によれば、全体の電荷は個々の電荷の代数和に等しくなります。
Q = q1+ q2+ q3+ q4+ q5+ q6+ q7+ q8+ ….. qn
2) 電荷の保存：
電荷保存の理論によれば、電荷は生成も消滅もしません。電荷はある物体から別の物体へ移動することはできますが、生成も消滅もできません。孤立系では、電荷は常に保存されます。
3) 電荷の量子化：
系の電荷は固定された量です。電荷は技術的には量子化された量です。基本電荷単位（すなわち1.6 x 10-19 C）の整数倍を用いて、系の正味電荷を示すことができます。物体の正味電荷がqである場合、式は次のように表せます：
Q = ne
文字「e」は、電子と陽子の基本電荷単位を表します。この式において、nは整数でなければならず、分数や無理数であってはなりません。したがって、nの値としては任意の正または負の整数を使用できます。例えば、nの値は1、-1、2、-3、4、-5などになります。
電荷の量子化の概念は、式「q = ne」を用いて系に含まれる総電荷量を計算するために重要です。総数n1個の電子と総数n2個の陽子を持つ系を考えてみましょう。これらの事実に基づいて、総電荷量は (n2 – n1) e であると推論できます。
結論：
物質が電磁場の中に置かれると、電荷を獲得し、それによって力を受けることになります。正または負の電荷が存在します（それぞれ主に陽子と電子によって運ばれます）。同じ種類の電荷は互いに反発し、異なる種類の電荷は互いに引き付け合います。
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