高校受験の理科 静電気と電子—電子の移動と電流の向きを分けて説明する｜武蔵野個別指導塾

こすった物体の電気の偏りと金属線中の電子や電流の矢印から、移動の向きをたどる題材は静電気です。

よくあるのは、中学生が回路の図に電子の矢印を描くとき、電流と同じ向きにしてしまう場面です。電流の向きを覚えていても、何が動くかを取り違えると、帯電した物体の変化まで逆に考えてしまいます。矢印を描く前に、何の移動を表すのかを言葉で書いてみましょう。静電気と電子の問題では、物体が持つ電気の種類、電子の移動、電流の向きを順に分けて考えます。

どのような問いに出会うか

出方の1つは、異なる物体をこすり合わせた後の帯電です。一方がマイナスに帯電したという条件から、電子がどちらからどちらへ移ったか、もう一方が何の電気を帯びたかを説明します。移動前に両方が電気的に中性で、外部との電気のやり取りがないという条件を確かめる必要があります。

もう1つは、帯電した物体どうしにはたらく力です。同じ種類の電気なら退け合い、異なる種類なら引き合います。観察された力から候補を絞る問題もありますが、電気的に中性の物体も帯電体に引き寄せられる場合があるため、引き合ったという情報だけで相手の電気の種類を決めることはできません。

さらに、放電や金属線中の電流を矢印で示す問いがあります。金属線中では電子が移動する向きと、約束として定めた電流の向きは反対です。どの場所の矢印かを明示してから描くと、帯電した物体間の電子の移動と回路の電流を区別できます。

電気の偏りを電子で読む

物質をつくる原子には、プラスの電気を持つ部分とマイナスの電気を持つ電子があります。物体全体でプラスとマイナスの電気がつり合っている状態を、電気的に中性といいます。中性とは電気が全く存在しないという意味ではありません。両方がつり合い、全体として電気が現れない状態です。

図1のように、はじめに中性だった2つの物体の間で電子が移ると、電子を受け取った側はマイナス、電子を失った側はプラスに帯電します。この場面ではプラスの電気を持つ部分が相手の物体へ移ったと考える必要はありません。電子が移動した結果、残されたプラスと電子のつり合いが変わります。

図1では左から右へ電子が移り、左がプラス、右がマイナスになっています。こすり合わせる物質の組合せによって、どちらが電子を受け取りやすいかは異なります。物体の名前を見ただけで向きを決めるのではなく、問題に与えられた帯電の種類や電子の移動方向を出発点にします。

電気を帯びた物体の間には、離れていても力がはたらきます。プラスとプラス、マイナスとマイナスは退け合い、プラスとマイナスは引き合います。前者を斥力、後者を引力といいます。力の名前だけを記憶するより、2つの物体の電気を横に並べて、同じか異なるかを判定すると間違いを見つけやすくなります。

帯電体に中性の物体を近づけると、中性の物体の内部で電気の分布に偏りが生じ、引き寄せられることがあります。そのため、退け合うという観察は同じ種類の帯電を考える手がかりですが、引き合うという観察だけでは異なる種類の帯電と断定できません。帯電していることが両方について与えられているかが、判断の分かれ目です。

たまっていた電気が空間などを通して移動する現象を放電といいます。放電に伴って光が見えたり音が聞こえたりする場合があります。電流は電気の流れを表す約束の向きで示し、金属線中ではマイナスの電気を持つ電子の移動方向と反対です。空間中の放電には条件によってさまざまな荷電粒子が関わるので、電子の矢印を描くときは、問題で指定された経路を確認します。

矢印を描く前の確認

物体の図には、操作の前と後を別々に描くと整理しやすくなります。まず各物体が中性か、プラスか、マイナスかを記します。次に、どの物体が電子を失い、どの物体が受け取ったかを矢印で結びます。電子を失う側から受け取る側へ矢印を描き、その横に電子と書きます。最後に、移動後の帯電が問題の条件と合うかを読み直します。

金属線をつなぐ場面では、こすり合わせたときの矢印をそのまま残さないことが重要です。操作が変われば、電子の移動方向も変わりえます。線をつなぐ前の帯電を出発点として、新しく矢印を考えます。電流を求められた場合は、金属線中の電子の矢印を描いた後で、その逆向きに電流の矢印を加えます。2種類の矢印がそれぞれ何を示すか、声に出して説明できるか試してみましょう。

放電を説明するときも、電気が移動する前後を分けます。放電前に電気の偏りがあり、放電によって電気が移動すると、その偏りが小さくなる場合があります。光や音は放電に伴って観察される現象で、光そのものを電子の流れる向きと取り違えないようにします。どの経路を何が移動したかは、問題の条件から読み取ります。

基本例題: 帯電から金属線の矢印へ

中性の物体 A と B をこすり合わせ、外部との電気のやり取りがないように離しました。A はプラスに帯電しました。次に A と B を金属線でつなぐと、金属線中を電子が移動して、やがて両方は中性になりました。こすったときの電子の移動方向、つないだ直後の金属線中の電子と電流の向きを、それぞれ A と B の間の向きで答えてください。A と B の帯電の種類も答えてください。

まず、A がプラスになった理由を調べます。はじめは中性なので、A は電子を失ったと考えます。やり取りは A と B の間に限られるため、その電子を受け取ったのは B です。こすったときの電子の向きは A から B です。B は電子を受け取ったのでマイナスに帯電します。

次に、金属線をつないだ後を考えます。B には電子が余分にあり、A には電子が不足しています。両方が中性になる条件なので、金属線中の電子は B から A へ移動します。こすったときと、つないだときの電子の向きは逆です。どちらの操作について問われているかを先に確認します。

図2のように、つないだ直後の金属線中では電流の向きが電子と反対になります。したがって電流は A から B です。ここで電流の矢印を電子の矢印に重ねると、マイナスの電気を持つ電子と、電流の向きの約束が混ざってしまいます。

答えを場面に戻して確かめます。こすったときに A から B へ電子が移れば、A は電子不足でプラス、B は電子過剰でマイナスとなり、与えられた A の状態に合います。つないだ後は B から A へ電子が戻るので、両方が中性に近づく向きです。電流はその逆向きに描けています。

条件を増やしたときの分かれ目

次の問題を考えます。帯電していることがわかっている物体 P、Q、R があります。P はマイナスに帯電しています。P と Q は退け合い、Q と R は引き合いました。3つの帯電の種類を答えてください。また、R を中性の金属球 S に近づけたところ引き合いました。この観察から S がマイナスに帯電しているといえるか、理由とともに答えてください。

P と Q は退け合うため、両者は同じ種類の電気を帯びています。P がマイナスなので Q もマイナスです。Q と R は引き合い、問題では R が帯電していると与えられています。よって Q と異なる種類である R はプラスです。P はマイナス、Q はマイナス、R はプラスと答えます。

一方、S は中性と与えられています。中性の金属球でも、近づいた帯電体の影響で内部の電気の分布が偏り、引き寄せられます。したがって、引き合った観察から S がマイナスに帯電しているとはいえません。むしろ、この問題の S の全体は中性です。局所的な偏りと、物体全体の帯電を区別します。

答えを関係に戻すと、マイナスの P と Q は退け合い、マイナスの Q とプラスの R は引き合います。どちらも観察に合います。もし R が帯電しているという条件がなければ、引き合う相手が中性である可能性も考える必要があります。力の向きだけでなく、相手について何が確定しているかを読むことが分かれ目です。

誤った矢印を直す

基本例題で「A がプラスだから、つないだ金属線中の電子は A から B へ進む」と答えたとします。A から B という向き自体は、つないだ直後の電流には合っています。しかし、電子の移動方向としては逆です。プラスの電気の向きを電子にもそのまま使ったことが原因です。

図3のように、電子はマイナスに帯電した B から、電子が不足した A へ移動します。電流はその逆に描きます。矢印のそばに「電子」か「電流」と書き、同じ経路について向きが反対になっているかを確かめてください。

別の誤りは「A がプラスになったのは、プラスの電気が B から A へ移ったから」とする説明です。ここで扱うこすり合わせでは、電子の移動を用いて説明します。A から電子が出た結果として、A にプラスの電気が残ると直します。電子を失ったことと、プラスに帯電したことは矛盾しません。

また、引き合った2物体について、相手が必ず反対の電気を帯びると断定する誤りもあります。両方が帯電している条件を探し、なければ中性の物体が引き寄せられる可能性を残します。観察を正しく読んでいても、結論の範囲を広げすぎていないかを点検しましょう。

練習: 条件から矢印と言葉を決める

次の4問は、それぞれ独立した場面です。向きは物体の名前を使って答え、説明を求める問いは理由も書いてください。

1. 中性の物体 C と D をこすり、外部と電気のやり取りをせずに離すと、D がマイナスに帯電しました。こすったときの電子の移動方向と、C の帯電の種類を答えてください。
2. 帯電した金属球 E と F を金属線でつなぐと、金属線中の電子が E から F へ移動し、両球は中性になりました。つなぐ前の E と F の帯電の種類と、つないだ直後の金属線中の電流の向きを答えてください。
3. 帯電している物体 G、H、J について、G はプラス、G と H は引き合い、H と J は退け合いました。H と J の帯電の種類を答え、その理由を説明してください。
4. プラスに帯電した物体 K に、帯電しているか不明な軽い物体 L を近づけたところ、L が K に引き寄せられました。L が必ずマイナスに帯電していると判断できるか、理由を含めて答えてください。

答えとたどり方

1. 電子は C から D へ移動し、C はプラスに帯電します。D は電子を受け取ってマイナスになりました。外部とのやり取りがないので、その電子を失ったのは C です。答えを戻すと、電子を得た D がマイナスという条件に合います。
2. E はマイナス、F はプラスで、電流は F から E です。E から電子が出て F に入ることで両球が中性になるので、E は電子が余分、F は電子が不足していました。電流は金属線中の電子と逆向きです。電子の移動を戻してみると、両方の偏りが減ります。
3. H と J はともにマイナスです。G と H は両方が帯電し、引き合っているため異なる種類です。G がプラスなので H はマイナスです。H と J は退け合うので同じ種類になり、J もマイナスです。プラスとマイナスは引き合い、マイナスどうしは退け合うので、両方の観察に合います。
4. 判断できません。L がマイナスなら K と異なる電気なので引き合いますが、L が中性でも内部の電気が偏って引き寄せられる場合があります。どちらも引力の観察に合うため、引き合うという結果だけでは帯電の種類を決められません。

手元に残す要点

電子を受け取った物体はマイナス、失った物体はプラスに帯電します。 帯電体どうしは同じ種類なら退け合い、異なる種類なら引き合います。 中性の物体も帯電体に引き寄せられる場合があります。 金属線中の電子と電流は反対向きです。

どこで迷ったかを見分ける

お子さまが矢印を逆に描いたときは、すぐに向きだけを直す前に、その矢印が何を表すか尋ねてみてください。「電子」と答えられるのに逆向きなら、電子を受け取るとマイナスになる関係から確かめます。電子の向きは合うのに電流が同じ向きなら、金属線中での電流の約束に戻ります。

個別指導では、図2の A と B を指し、こすったときと線でつないだ後を分けて説明できるかを見ます。さらに、引き合う相手が中性か帯電しているかを問い直すと、力の規則を使うための条件も確かめられます。矢印の名前と、どの操作の前後かがそろえば、静電気の変化を筋道立てて読めます。