」そして、電力、機械そして法規という科目は僕にとって全くの未知分野であり、かつその本のボリューム感に多少圧倒されました。多少である)「合格率は毎年10%を切るみたいですね~。無理とあきらめてしまうのか受験率も70%くらいみたいなんすよね~」なるほど。確かに、本が滅茶苦茶分厚いです。タスクだけ詰みあがるたぬし氏。して、電検を目指すことになったのです。(時間スケール的にヤバさを隠しきれないです)早速、理論の本の一ページにあるクーロンの法則と電場のお話から、少し解説していきたいと思います。電場とは何か?電場とは、電荷によって生じた空間の変化のことを示す言葉です。「場」には電場以外にも色々な種類があります。我々に一番馴染みが深いのが重力場です。重力場は、物質に「重さ」を与えています。地球から離れて地上遥か彼方に行くと、この「重さ」はどんどん小さくなり、ついには、宇宙へ行くと「重さ」が0になる。たぬきちゃんが浮いている、宇宙では、力が働いておらず、これは場の力が0に近づいていることを意味します。これが無重力状態です。精密に言うと、重力場は、「重さ」言い換えれば目に見えない「力」の分布を与えているのです。目に見えない力の分布。電場もこれと同様に、「力」の分布を与えています。電場の場合、どうやって与えられるか?というと、電荷が存在することで、電場が生まれます。電荷が静止した状態で置かれているだけで、周囲の空間に何らかの変化が生じ、その空間の変化が力を伝える、と考えます。このように、電荷は存在するだけで、空間自体に変化が生じることから、ゆくゆくは空間の変化そのものに、注目する必要があります。この電荷が動き始める(いわゆる電流というやつです)とどうなるか?と考えると、電荷が動くことで、空間も時々刻々と変化してゆきます。すると、磁場が生じるのです。電場と磁場のイメージこれは、高速で走っている車を考えるとわかりやすいです。電流と捉えることができます。車が走ると、車が過ぎ去った後に、少し遅れて風がふきこみます。これは、車が走ることで、車が通った空間に変化が起きたためです。電荷には、プラスとマイナスがあり、これら二つで性質が異なっています。仮に、+1[c]や-1[c]を空間上に配置してみると、どのような空間の変化が生じて、力の分布が生じるかを見てみましょう。Pythonにより、電場ベクトルを計算させて、可視化してみました。矢印は大きさと向きを持っており、高校数学でやったベクトルを表しています。この分布を見ると、場所によって向きや大きさが違う力が働いているということがわかります。+1[c]の電荷は外向きに放射するように(斥力)力が向いています。逆に、-1[c]の電荷は、自身に向かって吸い込むように(引力)矢印が向いているのがわかります。このように、プラスとマイナスの電荷では、力の向きが異なるということがわかりました。二つの電荷が作る電場この性質の違った二つの電荷があることがわかりました。二つの電荷が一緒に存在する時は、どんな電場になるのか少しみてましょう。同種の電荷が2つ存在する場合まず、二つのプラス電荷、二つのマイナス電荷が離れた場所に1つずつある場合が下の図になります。このように、同種の電荷が二つ存在すると、x軸の0.0を中心として左右で逆方向に矢印が向いています。結局、同種の電荷が二つあると力の向きとしては、反発しあうということです。次に、+と-の異なる電荷が一つずつある場合を見てみましょう。(異なる電荷の場合)一方で、+と-が一つずつ存在するような場合では、引き合うことが分かります。見てみると、+(青)の電荷から出た矢印が、-(赤)の電荷へ向かっているのが見て取れます。電荷自身にどのような力が働くか?を考えると、電荷周りのたくさんの矢印を足し合わせる必要があります。各電荷の周りの矢印を足し合わせると、y軸方向の電場はちょうどキャンセルされて0になります。すると結果はシンプルで、同種の電荷ならx軸方向で反発する斥力になり、異なる電荷だと引力になります。電場とは、力の分布を与えるものであり、電荷が存在するだけで生まれるものだ、ということを説明してきました。結論から言いますと、電場は、電場を作る電荷の大きさに比例し、距離の二乗に反比例して減衰する式で表されます。その式の成り立ちを説明していきます。この力の分布をよく眺めてみると、電荷から遠い所は、矢印の長さが短いということがわかります。電荷から距離が離れると、与える力は弱くなっています。1[c]の時より、10[c]の電荷の方が、強い影響力を持っており、電荷の大きさに比例して電場は大きくるという性質があります。直観的にも、1[c]より10[c]の方が、10倍強そうだなーって思われますが、実際電場は10倍強いのです。実際はベクトルなので、方向を示す単位ベクトルがつきます。直観通りに、定式化されていて、電荷からの距離が遠いほど電場は弱くなり、その度合いは距離の二乗に反比例しています。電荷の強さは、電場の強さと比例しています。\varepsilon_0\)という項が分子にかかっていますが、これは定数であり、今は考えなくてよいです。こんな定数がかかるんだなー位に捉えておけばよいでしょう。電場からクーロンの法則へこの電場は、力の分布を与えるので、高校で習った力Fの単位である[N]が単位として与えられています。単純に[N]というわけではなく、電荷が作る場なので、1[c]が作る力[N]として定義されています。[N/c]が電場の単位になっています。この電場が生まれている状態で、外から電荷が侵入しますと、外から来た電荷に電場の影響が働いて力が生じます。これがクーロンの法則です。これまでの流れを辿り直しますと、まず、電荷が一つ存在することで電場が生じます。この電荷は、電場を作る電荷であることから、電場形成電荷と名付けましょう。電場形成電荷さらに、外からマイナス電荷がこの場が生じている中に侵入してきたとします。すると、初めて、この二つの電荷の間に力が働きます。これがクーロンの法則と呼ばれるものです。クーロン力の定式化となります。電荷が二つになると、どちらにも力が働きます。片方の電荷は、電場を作る電荷として考え、そこに電荷が侵入してきた結果、二つの電荷の間に力が生じる、と考えるとわかりやすいかなと思います。q1の存在が原因となり、結果として(左側の式)クーロン力Fが生まれた、という見方です。物理の場合、このように原因と結果を=で結ぶことが多々あります。[c]となり、[c]がキャンセルされて[N]になります。力、となっていることがわかります。電場とは、電荷がいることで空間に変化が生じ、空間における力の分布を与えているものでした。力の分布があるなら、場所を決めたら、力が定まるはずです。その力を定める式がクーロンの法則であるといえます。トランジスタ(2SC1815)によるエミッタ接地回路【5】:電圧増幅回路...零細企業製造業に入社して半年:製造系中小企業の未来はいかに!?実験屋(人生含む)たぬし実験屋たぬしです。その後、これまでやったことない分野(アナログ回路)の零細企業に入り、日々実験を継続中。回路関係の実験・解析や物理など理系のことやバイク・音楽・文学などついても書いております。