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思索 電子回路 論評等 byホロン commux@mail.goo.ne.jp

電荷と電気③ 電気力線と電束

2011-02-06 16:15:57 | 電子回路
プラスに帯電した導体とマイナスに帯電した導体の間には「電界」が生じます。これを考えやすくするために、電界を「電気力線」で表します。これは磁気において、磁界を表す磁力線と同じです。

平行平板の電気力線は、距離が離れている場合は、平板内の電荷が均一に分布し、電気力線は放射状になり湾曲しますが、距離を非常に短くすれば正電荷と負電荷が引き合い、電荷が平板の向い合う面に集まります。電気力線は電荷1個につき1本と定義しますので、隙間の狭い並行平板間の電気力線の数は増加し、電気力線の形状はすべてがほぼ平行に(直線に)なります。

電気力線を総じて電束といい、単位面積あたりの電気力線の数を電束密度(D)といいます。つまり平板の面積が同じであれば、距離の離れた平板間より距離の短い平板間の方が、電束密度が大きいということです。これも、磁気における、磁束(Wb)や磁束密度(B)と同じです。なお、電荷の数と電気力線の数は1:1に対応しますので、互いに置き換えて扱うことが可能であることから、電束もQ[クーロン]で表します。

さて、静電容量C(F)は、C=εS/l です。(S:平板の面積、l:平板間の距離、ε:誘電率)
電界の強さをEとすると、電束密度(D)と誘電率(ε)との関係は次式で表されます。
E=D/ε  (D=εE)

*D=εE は  B=μH に相当します。
(B:磁束密度、μ:透磁率、H:磁界の強さ)


図のように平板間に絶縁体を入れると、電気力線の数(電束)は電荷の数だから変化しませんが、誘電率(ε)が大きくなるため、上式より電界の強さEが小さくなります。これをコンデンサとして考えてみれば、電界の強さEは電位差(電圧)ですから、絶縁体の誘電率によって静電容量が増えたのだということが分かりますね。
V=Q/C (Q=CV)  [空気:ε=1、マイカ:ε=2.5]

平行平板を電池などの電圧源に接続して平板を帯電させ、電界の大きさEを一定に保てば、D=εE より、絶縁体を入れてεを大きくすることにより、平板間の電束密度Dが大きくなります。この電束密度は平板間の電気力線の本数(電荷の個数)に一致しますから、絶縁体(誘電体)を入れることにより電荷Qが増加することを意味しますね。これもコンデンサの静電容量(F)の大小から納得できることです。

関連記事:電荷と電気② コンデンサ 2011-02-01

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4 コメント

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電気力線の安全性について (松原弘保)
2011-02-21 10:25:09
電気力線について学んでいるますが、電気力線の人体への安全性について教えいただきたく存じます。

直流高電圧(約9000V)の回路の一部を電極を取り付けて開放し、電圧だけをかけるようにして電極から電気力線を放射させるとき、電気力線の通っている場所に人間が存在した場合、人体に影響があるか否かを知りたいのです。
小生は、回路に電流が流れれば当然磁界が発生し、人体への影響は少なからずともあると思います。電荷があれば電気力線が発生しますが、電荷が動くわけではないので、影響は無いと考えています。
WHOなどの論文を探してみましたが、研究されていない(安全上の問題があれば研究されていると思うのですが・・・。)ようで見つかりません。
参考になるような情報をお持ちでしたらお教えください。
よろしくお願い申し上げます。

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こんにちは。(^^) (ホロン)
2011-02-21 15:38:12
うわっ!これは難しい問題ですねえ。
私も長年、回路に戯れてきていますが、200V以上の電圧は扱ったことがありません。

でも、高圧線の下の集落ではガンになる人が多いとか言いますよね。実のところどうなのでしょう?

幾らか調べてみましたが、下のサイトが少し言及しているようです。

http://www.nrt.co.jp/back_number/Oyakudachi/Oyakudachi200509.html

「3.人体への影響」で
10kV/m以下の電界では立入り制限の必要がない(WHO)、としていますね。

私も勉強になりました。(^^)
返信する
電気力線の安全性について (松原弘保)
2011-02-24 22:37:14
すぐにお礼のコメントと人体実験のことを書いて投稿させていただいたのですが、うまく遅れなかったようです。再度お送りします。
ーーーーーーー
ご回答ありがとうございました。
お礼を申し上げるのが遅くなりましてすみません。
読ませていただき、安心しました。

磁界の場合と違って、電界は皮膚より中へは影響しない。服も着ているし、肌が露出している部分には皮膚に何か影響が出るかも知れないという程度に思っていました。
文献が見つからなかったこともあり、ちょっと無茶だったと思いますが、自分で人体実験をしたこともありました。結果は何も問題は起こらなかったのですが・・・。
+極10本-極10本の電極を床から2mの位置に設置し(オープン回路の状態で電流が流れない状態)、±DC9kVを印加(連続)して、電気力線を放出させ電界を作り、その中で2年間PCを使って仕事をしました。テストに入る前と1年置きに検診を受けましたが、何も問題は見つかりませんでした。PCにも悪影響は出ませんでした。むしろ静電気の悪戯で、プリンタの印刷品質が悪かったのが、電界をかけているときは品質が非常に良くなりました。また、服を脱いだり着たりするときは、静電気でバチバチ音が鳴り不愉快に感じていましたが、それも無くなりましたし、掃除で埃がとりやすくなるなどメリットが多かったです。
今考えると無茶をしていたな、この印加電圧がもっと高ければ、ひょっとしたら問題が発生していたかもしれません。「知らんものは強い」とはこのことですね。ちょっと安心しています。
またお教えください。
ありがとうございました。
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ものすごいですね! (ホロン)
2011-02-25 11:48:43
お話を聞いてびっくりしてしまいました。9000Vの電界を部屋に造って、自ら人体実験を2年間やったのですか。まずは身体に悪影響がなかったとのこと何よりですが、それにしても、ものすごいスケールと行動力と覚悟。そのパワーを羨ましくも感じます。

しかし、この実験は非常に興味深くまた貴重ですね。暮らしの中の静電気は悪さばかりしますが、この中は帯電し得ない空間。使用する場所によっては大変有用な空間になるかも知れませんね。

「知らんもんは強い」。結果良なら時にはそれが役に立つということですね。
(^^)

お礼が前後しますが、当ブログにお越しいただき、またコメントをいただき、ありがとうございました。
今後ともよろしくお願いいたします。
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