無料でしっかり基礎固め！高校物理 問題演習「導体と不導体の性質 – 静電誘導と誘電分極」【高校物理対応】

問題の確認

各設問の思考プロセス

(1) 導体内部に存在し電気伝導を担うもの / 不導体で少ないもの

1. 導体（金属）が電気をよく通す理由となる、内部に存在する粒子は何かを考えます。
2. 不導体（絶縁体）が電気を通しにくい理由となる、内部にほとんど存在しない粒子は何かを考えます。
3. これらを満たす共通の語句を特定します。

(2) (3) (4) 導体に帯電体を近づけたときの現象（静電誘導）

1. 導体に帯電体を近づけた際に、導体内部の(1)がどのように移動するかを考えます。
2. (1)の移動の結果、帯電体に近い側と遠い側に現れる電荷の符号が、帯電体の電荷の符号とそれぞれ「同じ」か「異なる」かを判断します。
3. この一連の現象を表す物理用語を特定します。

(5) (6) (7) (8) 不導体に帯電体を近づけたときの現象（誘電分極）

1. 不導体に帯電体を近づけた際にも、導体と同様に表面に電荷が現れる現象を何と呼ぶかを考えます。
2. 導体の場合（静電誘導）との違いを意識し、不導体内部で何が起こっているかを考えます（(1)の移動ではない）。
3. 帯電体に近い側と遠い側に現れる電荷の符号が、帯電体の電荷の符号とそれぞれ「同じ」か「異なる」かを判断します。
4. 不導体で電荷が現れる原因となる、原子・分子レベルでの現象を説明する語句を特定します。

(9) 接触後のアルミホイル片と発泡スチロール片の振る舞いの違いの理由

1. まず、アルミホイル片（導体）と発泡スチロール片（不導体）が、帯電体を近づけただけの場合になぜ引き寄せられるのかを静電誘導・誘電分極の観点から理解します。
2. 次に、それぞれが帯電体に接触した際に何が起こるかを、(1)で答えた粒子の有無（物質が導体か不導体か）に基づいて考えます。特に電荷の移動が起こるかどうかが重要です。
3. 接触による電荷の移動の結果、帯電体との間に働く力がどのように変化するか（引力から斥力へ変わるなど）を推測し、振る舞いの違いを説明します。

各設問の具体的な解説と解答

(1) 導体内部に存在する電気を伝える粒子 / 不導体では少ない粒子

問われている内容の明確化:
金属のような導体内部に豊富に存在し、電気伝導の役割を担う粒子、および不導体（絶縁体）にはほとんど存在しないため電気が伝わりにくい原因となる粒子の名称を答えます。

具体的な解説:
金属などの導体物質では、原子核の束縛から離れて物質内を自由に動き回ることができる電子が存在します。これらの電子が電圧などの影響を受けて移動することで電流が流れます。この自由に動ける電子のことを「自由電子」と呼びます。一方、ガラスやプラスチック、発泡スチロールなどの不導体（絶縁体）では、電子は強く原子核に束縛されており、自由に動ける電子、すなわち自由電子はほとんど存在しません。そのため、電気を通しにくいのです。問題文の2箇所とも、この自由電子について言及しています。

(2) 静電誘導で帯電体に近い側に現れる電荷の符号

問われている内容の明確化:
導体に帯電体を近づけたとき（静電誘導）、導体の帯電体に近い側に現れる電荷の符号が、帯電体の電荷の符号と比べて「同じ」か「異なる」かを答えます。

具体的な解説:
静電誘導では、導体内の自由電子が帯電体からのクーロン力を受けて移動します。例えば、正の帯電体を近づけると、負の電荷を持つ自由電子は引き寄せられて帯電体に近い側に集まります。逆に、負の帯電体を近づけると、自由電子は反発して帯電体から遠い側に移動し、近い側には正の電荷（自由電子が去った後の陽イオン）が残ります。いずれの場合も、導体の帯電体に近い側には、帯電体の電荷と「異」符号の電荷が現れます。

(3) 静電誘導で帯電体から遠い側に現れる電荷の符号

問われている内容の明確化:
導体に帯電体を近づけたとき（静電誘導）、導体の帯電体から遠い側に現れる電荷の符号が、帯電体の電荷の符号と比べて「同じ」か「異なる」かを答えます。

具体的な解説:
(2)の解説の続きです。正の帯電体を近づけた場合、自由電子が近い側に移動した結果、遠い側では電子が不足し、正の電荷を持つ陽イオンが相対的に多くなります。したがって、遠い側には帯電体と「同」符号の正電荷が現れます。負の帯電体を近づけた場合、自由電子が遠い側に押しやられるため、遠い側には帯電体と「同」符号の負電荷が現れます。いずれの場合も、帯電体から遠い側には帯電体と「同」符号の電荷が現れます。

(4) 導体に帯電体を近づけたときに電荷が誘導される現象名

問われている内容の明確化:
導体に帯電体を近づけると、導体内の電荷が移動し、表面に電荷が分布する現象の名称を答えます。

具体的な解説:
導体に帯電体を近づけた際に、導体内の自由電子が移動することによって、導体の表面（特に帯電体に近い側と遠い側）に電荷が現れる現象を「静電誘導」と呼びます。

(5) 誘電分極で帯電体に近い側に現れる電荷の符号

問われている内容の明確化:
不導体に帯電体を近づけたとき（誘電分極）、不導体の帯電体に近い側に現れる電荷の符号が、帯電体の電荷の符号と比べて「同じ」か「異なる」かを答えます。

具体的な解説:
不導体に帯電体を近づけると、不導体内の原子や分子の電荷分布が偏ります。例えば、正の帯電体を近づけると、原子・分子内の負電荷（電子）は帯電体側に引き寄せられ、正電荷（原子核）は反発します。その結果、不導体の表面の帯電体に近い側には、帯電体と「異」符号の電荷（この場合は負電荷）が実効的に現れます。

(6) 誘電分極で帯電体から遠い側に現れる電荷の符号

問われている内容の明確化:
不導体に帯電体を近づけたとき（誘電分極）、不導体の帯電体から遠い側に現れる電荷の符号が、帯電体の電荷の符号と比べて「同じ」か「異なる」かを答えます。

具体的な解説:
(5)の解説の続きです。正の帯電体を近づけた場合、原子・分子内の負電荷が近い側に偏る結果、遠い側では相対的に正電荷が強くなります。したがって、遠い側には帯電体と「同」符号の正電荷が実効的に現れます。負の帯電体を近づけた場合も同様に、遠い側には帯電体と「同」符号の負電荷が現れます。

(7) 不導体に帯電体を近づけたときに電荷が現れる現象名

問われている内容の明確化:
不導体に帯電体を近づけたときに、不導体表面に電荷が現れる現象の名称を答えます。

具体的な解説:
不導体に帯電体を近づけた際に、不導体内部の原子や分子の電荷分布が偏ることによって、不導体の表面に電荷が現れる（分極する）現象を「誘電分極」と呼びます。

(8) 誘電分極で現れる電荷の原因

問われている内容の明確化:
誘電分極によって不導体表面に電荷が現れる原因を説明する語句を答えます。

具体的な解説:
誘電分極は、不導体内部を構成する原子や分子が、外部の電場（帯電体が作る電場）の影響を受けて、電荷の分布に「偏り」が生じることによって起こります。分子全体としては中性でも、プラスの電荷の中心とマイナスの電荷の中心がわずかにずれることで、分極が起こります。

(9) 接触後のアルミホイル片と発泡スチロール片の振る舞いの違いの理由

問われている内容の明確化:
正の帯電体に接触した後、アルミホイル片（導体）はすぐに離れるのに、発泡スチロール片（不導体）は離れない理由を、物質の電気的な性質の違いに基づいて説明します。

具体的な解説:
この現象の違いは、導体と不導体の電気伝導性の違い、すなわち自由電子の有無に起因します。

• アルミホイル片（導体）: 自由電子を豊富に持つため、正の帯電体に接触すると、自由電子がアルミホイル片から帯電体へ容易に移動します。その結果、アルミホイル片自身も正に帯電します。正に帯電したアルミホイル片と正の帯電体の間には斥力が働くため、アルミホイル片はすぐに帯電体から離れます。
• 発泡スチロール片（不導体）: 自由電子をほとんど持たないため、帯電体に接触しても電荷の移動がほとんど起こりません。そのため、発泡スチロール片全体が帯電体と同じ符号に強く帯電することがなく、誘電分極による引力が残るなどして、帯電体から離れにくい状態が続きます。

したがって、この違いが生じる理由は「アルミホイル片には自由電子があり（電荷の移動が容易であるため同符号に帯電して反発する）、発泡スチロール片には自由電子がない（電荷の移動が起こりにくいため反発しない）」ためです。

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問題全体を通して理解しておくべき重要な物理概念や法則

• 導体と不導体（絶縁体）: 自由電子の有無による電気伝導性の違い。
• 自由電子: 導体内で自由に移動できる電子。
• 静電誘導: 導体における、帯電体の接近による電荷の再配置現象。
• 誘電分極: 不導体（誘電体）における、帯電体の接近による原子・分子レベルでの電荷の偏り現象。
• クーロン力: 電荷間に働く力（引力または斥力）。
• 接触による帯電: 導体の場合、接触により電荷が容易に移動し、全体が帯電することがある。

類似の問題を解く上でのヒントや注意点

• 用語の定義の正確性: 静電誘導と誘電分極、導体と不導体の違いなどを明確に理解しておく。
• 現象の可視化: 電荷の移動や偏りの様子を図でイメージできるようにする。
• 根本原因の理解: なぜ導体と不導体で異なる現象が起きるのか、その根本原因が自由電子の有無にあることを掴む。

よくある誤解や間違いやすいポイント

• 静電誘導と誘電分極の違いを曖昧に理解している。
• 不導体は電気的な影響を全く受けないと思い込んでいる（誘電分極を忘れる）。
• 接触による帯電において、導体と不導体の違いを考慮しない。

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