電気の基本法則と電場・電位

クーロンの法則から始まる静電気の世界は、実はとてもシンプルなルールで成り立っている。電荷同士が及ぼし合う力の大きさは、電気量の積に比例し、距離の2乗に反比例するんだ。

電場は電荷の周りに生じる「力の場」で、単位電荷が受ける力の大きさを表している。電気力線を使って視覚化すると、正電荷から出て負電荷に入る矢印として描けるよ。電気力線が密な場所ほど電場が強いということも覚えておこう。

電位は電荷を移動させるのに必要な仕事と関係していて、電流は電位の高い方から低い方へ流れる。導体内部では電場がゼロになり、導体全体が等電位になるという性質も重要だ。

ポイント: 電場と電位の関係は、山の傾斜と高さの関係に似ている。急な傾斜（強い電場）ほど高低差（電位差）が大きくなるんだ。

コンデンサーと電気回路

コンデンサーは電荷を蓄える装置で、電気容量C、電荷Q、電位差Vの関係はQ=CVで表される。平行板コンデンサーでは、極板の面積が大きく、間隔が狭いほど容量が大きくなるよ。

コンデンサーの接続方法によって合成容量が変わる。並列接続では容量が足し算になり、直列接続では逆数の足し算になる。これは抵抗の接続とは逆のパターンだから注意しよう。

キルヒホッフの法則は回路解析の基本ツールだ。第1法則（電流則）は「流れ込む電流の和＝流れ出す電流の和」、第2法則（電圧則）は「起電力の和＝電圧降下の和」を表している。

ジュール熱Q=I²Rtは抵抗で発生する熱エネルギーで、電力P=IVとあわせて覚えておこう。電力量は電力×時間で計算できるんだ。

ポイント: ホイートストンブリッジを使うと、検流計に流れる電流をゼロにして精密な抵抗測定ができる。内部抵抗の影響を受けない優れた測定方法だよ。

磁気と電磁力

磁場は磁石や電流が作り出す「力の場」で、電場と似ているけど重要な違いがある。磁極は単独で取り出せないが、電荷は単独で存在できるんだ。

電流が作る磁場の強さは電流に比例し、距離に反比例する。直線電流、円形電流、ソレノイドそれぞれで磁場の分布が異なるから、パターンを覚えておこう。

磁場中の電流が受ける力F=BILsinθは、磁束密度B、電流I、導線の長さLの積で決まる。力の向きはフレミングの左手の法則で判断できるよ。

ローレンツ力は磁場中を運動する荷電粒子が受ける力で、運動方向に垂直に働くため仕事をしない。そのため粒子は等速円運動を行うんだ。

ポイント: 透磁率μ₀=4π×10⁻⁷ N/A²は真空中の透磁率で、磁束密度B=μHの関係で使われる重要な定数だよ。