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クーロン力【くーろんりょく】

クーロン力とは、二つの電荷を帯びた粒子の間に働く力のことである。電荷を帯びで電気的な性質をもつ粒子である電粒子の間には、電荷の符号が正負であればお互いを引き寄せる引力が働き、電荷の符号が同じであれば反発しあう斥力、すなわちクーロン力 が働 く。プ ラ ス チ ッ ク 製 の 下 敷 き を 摩 擦 し て 髪 の 毛 に 近 づ け る と 髪 の 毛 が 下敷 き に 吸 い 付 く 現 象 は 、 摩 擦 に よ り 一 方 に 生 じ た 正 の 電 荷 に 他 方 に 生 じ た 負の電荷が引き合うというよく知られたクーロン力の作用である。クーロン力は電磁気力、静電気力とも呼ばれ、物理学における根源的な力の一つであるといえる。

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クーロンの法則

摩擦した琥珀が羽のような軽い物を引きつける現象などのような電気に関する現象は古くから研究されており、18世紀に入って電気の存在が発見され、その後の実験や研究により電気にはプラスとマイナスの二つの種類があることや、同符号間では反発し異符号間では引き合うなどの性質があることが解明され、二つの荷電粒子に働くクーロン力の存在が発見された。このクーロン力は実験により観測ができるものであったことから、多くの学者が実験を行いクーロン力の作用を追求し、 1785年にクーロンがねじり天秤を用いて実験を行い「二つの荷電粒子の間に働く力の大きさは、二つの粒子の電荷の積に比例し、粒子間の距離の二乗に反比例する」というクーロンの法則を導きだした。クーロンの法則はマクスウェルの方程式からも導くことができるが、磁荷を帯びた粒子間に関しても同様の法則がなりたつことがわかっており、クーロンの法則は電磁気学の基本法則となっている。

クーロン力とファンデルワールス力

物 質 を 構 成 す る 分 子 は 2つ 以 上 の 原 子 か ら 構 成 さ れ る 電 気 的 に 中 性 な 物 質 で あり、原子は正の電荷を帯びた原子核と、負の電荷を帯びた電子から構成される。電荷を帯びていないことからクーロン力が作用しないような電気的に中性な分子間に働く力をファンデルワールス力というが、ファンデルワールス力の根源もクーロン力である。原子は正の電荷を帯びた原子核と負の電荷を帯びた電子から構成され、原子核の正の電荷に引きつけられたいくつもの電子は原子核の周囲の分子軌道上を原子核からの引力に逆らいながら運動していおり、長い時間で平均をとれば分子軌道には満遍なく電子が存在して分子内には電気的な偏りは生じないことから、分子は電気的に中性であるといえるが、現実には時々刻々と電子が運動しているために分子内には瞬間的に電子の偏りが生じている。この小さな電子の偏り、揺らぎが分子間力の根源であり、この偏りにより誘起されたクーロン力がファンデルワールス力の正体であるといえる。

クーロン力と万有引力

全ての物体の間には万有引力という引き合う力が働き、ニュートンが「 2つの物体の間には、物体の質量に比例し、物体間の距離の 2乗に反比例する引力が作用する」とする万有引力の法則を発見したが、クーロンの法則と万有引力の法則と対比すると、両法則の記述式は全く同じ構造であるとわかる。全ての物質には質量があることから万有引力にはクーロン力にあるような斥力は存在しないが、万有引力もクーロン力も物体間の距離の二乗に比例し、物体の固有数値である質量や電荷の積に比例することは同じであり、両者の違いはクーロン力は大きく万有引力は検知できないほど小さいといった、力の大きさの違いである。

問題

クーロン力の特徴をクーロンの法則から説明しなさい。

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