【重要】電気と磁気はなぜ「場」を考える必要があるのかがよくわかる

しかし、

そこで、

詳細は関連記事に書いています。ご確認ください。

【リンク】【重要】高校物理の電気はクーロン力法則でほぼ説明できる 「クーロンの法則」「電場・ガウスの法則」「オームの法則」と別々に暗記していませんか？本記事では、電気の本質を“クーロン力”から一気に整理。バラバラだった知識がつながり、苦手意識がスッと消える学び方を紹介します。

高校物理の電気分野を学ぶとき、多くの人が次のように感じます。

でも実は

クーロン力から
・電場
・電気力線
・オームの法則
などはすべて導き出せます。

つまり、電気の根っこは「電荷同士が押し合う・引き合う力」だけ。 これを理解すると、電気分野が一気に一本のストーリーになります。

クーロンの式は
・距離の2乗に反比例
・電荷の大きさに比例
というだけです。

だから

しかし、クーロンの法則には“弱点”があります。

\(F\)=\(k\frac{q_1 q_2}{r^2}\)

ここが重要ポイントです！

つまり、電荷を動かしたとき、力が「いつ」伝わるかは式に入っていません。瞬時に力が入る!という意味となってしまいます。

実際、現実の電磁気は、 光の速さで伝わる（＝時間がかかる） という性質を持っています。

この「伝わるまでの時間」を考えると、 エネルギー保存則が一瞬だけ成立しなくなる という論理的な問題が出てきます。

ここでは、あなたの問題集の例題を使って、 「なぜ場という概念が必要なのか」を高校生でも理解できる形で説明します。

固定した電荷を“瞬間移動”させると何が起きる？を考えてみましょう。

QCプラネッツ問題集　 0404 【4】より引用

不思議なこととは、

下表のように瞬間前後の
・系全体のエネルギーE=K+U
・系全体の運動エネルギーK
(実際は電荷\(q_2\)のみの運動エネルギー)
・系全体の位置エネルギーU
\(U=-k\frac{q_1 q_2}{r}\)
・２電荷間にかかるクーロン力\(F\)
を見ていきます。

当然、外力の影響はないので、系全体のエネルギーEは
どの時刻も保存されます。

まず、瞬間移動前後で位置エネルギーは変わります。
・移動前：\(U_0\)
・移動後：\(U_1\)（距離が変わるので\(U_0\) ≥ \(U_1\)）
しかし、力が伝わるまでの \(Δt\) の間は、 \(q_2\) は「古い力 \(F_0\)」を受け続けます。
そのため、 全エネルギー E が一瞬だけ合わなくなる という現象が起きます。

式で書くと、
・\(E\) = \(K_0\) + \(U_0\)
・\(E\) = \(K_1\) + \(U_1\)
・伝播中：\(E_1\) = \(K_0\) + \(U_1\) ≠ \(E\)
となります。

つまり、
・伝播中：\(E_1\) = \(K_0\) + \(U_1\) + \(ΔE\)= \(E\)
となり、

困りました！
この ΔE が「どこから来たのか？」が問題になります。
この結論は現状は、

力が伝わるまでの短い時間、 何もない空間がエネルギーを補ったり返したりしている と考えないと、エネルギー保存則が成立しません。

ここから生まれたのが、

高校物理では、電場・磁場が「当たり前に存在するもの」として登場します。 しかしそれが理解を難しくしていますよね。

高校物理の電気はクーロン力だけで説明できるとはいえ、 実際の計算はとても大変です。

ただし、

なので、本ブログで解説しました。

いかがでしょうか。高校物理の電気分野でわからない！
を解決するためにQCプラネッツが
ブログで解説し、
さらに学べるための問題集を作りました。

記事解説で紹介した各問題を詳細に学べるために、

を作成しました。

ブログ記事で紹介しきれない、エッセンスをわかりやすく解説します。

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「【重要】電気と磁気はなぜ「場」を考える必要があるのかがよくわかる」を解説しました。