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電場と電位md 5ecce55
lecture/physics/electromagnetism/electric-fields-and-potential.lecture.n.md
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電場でんば電位でんい

date2026-07-14document_iddoc_66f264132d7abcc6ebb34e5085a88288description電場を単位電荷あたりの力、電位を単位電荷あたりの位置エネルギーとして定義し、クーロンの法則、重ね合わせ、電場と電位差の関係を証明する講義である。prerequisites力のつり合いと運動の法則 / 仕事と力学的エネルギー / 単位・次元type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/electromagnetism/gauss-law-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/capacitors.lecture.n.md
physicselectromagnetismelectric-fieldpotentiallecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、電場でんばを「ちから予測よそくする」、電位でんいを「エネルギーを予測よそくするりょう」としてける方法ほうほう説明せつめいする。

電荷でんかどうしははなれていてもちからおよぼす。このちから毎回まいかい 2 つの電荷でんかわせでかんがえるわりに、空間くうかん各点かくてん電場でんばく。電位でんいは、電場でんばなか電荷でんかうごかすときのエネルギーをあらわす。

2用語ようご定義ていぎ

電荷でんかelectric charge q とは、電気的でんきてき相互作用そうごさようみなもとになるりょうである。

電場でんばelectric field E とは、試験電荷しけんでんか qけるちから F について

E=Fq

定義ていぎするりょうである。

電位でんいelectric potential V とは、単位電荷たんいでんかあたりの位置いちエネルギーである。

V=Uq

3方針ほうしん

電場でんば電位でんいは、いで使つかける。

  1. ちから加速度かそくどもとめるなら F=qE
  2. 仕事しごとやエネルギーをもとめるなら ΔU=qΔV
  3. 点電荷てんでんか複数ふくすうあるなら、電場でんばはベクトルとしてし、電位でんいはスカラーとしてす。

4関係式かんけいしき 1:点電荷てんでんかつく電場でんば

点電荷てんでんか Q から距離きょり rてんでの電場でんばおおきさは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]E=k|Q|r2

である。きは Q>0 なら外向そとむき、Q<0 なら内向うちむきである。

4.1証明しょうめい

試験電荷しけんでんか q>0く。クーロンの法則ほうそくより、点電荷てんでんか Q からけるちからおおきさは

F=k|Qq|r2

である。電場でんば定義ていぎ E=F/q より、

E=1qk|Qq|r2=k|Q|r2

る。

5関係式かんけいしき 2:電場でんばちから関係かんけい

電場でんば Eなか電荷でんか qくと、電荷でんかけるちから

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]F=qE

である。

5.1証明しょうめい

電場でんば定義ていぎ

E=Fq

である。q0 として両辺りょうへんqけると、

F=qE

である。

6関係式かんけいしき 3:電位差でんいさ仕事しごと

電荷でんか qてん A からてん Bうごかすとき、電気的でんきてき位置いちエネルギーの変化へんか

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔU=q(VB-VA)

である。

6.1証明しょうめい

電位でんい定義ていぎ

V=Uq

である。したがって

U=qV

である。てん AB での位置いちエネルギーは

UA=qVA,UB=qVB

なので、

ΔU=UB-UA=q(VB-VA)

る。

7関係式かんけいしき 4:一様電場いちようでんばでは VA-VB=Ed

一様電場いちようでんば E沿って距離きょり d だけすすむ 2 てん A,Bかんがえる。電場でんばきにすすむなら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]VA-VB=Ed

である。

7.1証明しょうめい

せい試験電荷しけんでんか q電場でんばきに距離きょり d だけうごくと、電場でんばがする仕事しごと

W=qEd

である。保存力ほぞんりょくがする仕事しごと位置いちエネルギーの減少分げんしょうぶんなので、

W=UA-UB=q(VA-VB)

である。したがって

qEd=q(VA-VB)

であり、q0 だから

VA-VB=Ed

る。

8単位たんい確認かくにん

電場でんば

E=Fq:[N;MLT-2][C;IT]=[N/C;MLI-1T-3]

である。また V=U/q より、電位でんい単位たんいJC、すなわち [V] である。

9見分みわかた

  • ちからかれたら F=qE
  • 仕事しごとはやさをかれたら ΔU=qΔV
  • 複数ふくすう点電荷てんでんかでは、電場でんばきをふくめてす。

10どこまで成立せいりつするか

電位でんい単純たんじゅん位置いちエネルギーとしてあつかえるのは、静電場せいでんばのように電場でんば保存力ほぞんりょくとしてあつかえる場合ばあいである。時間変化じかんへんかする磁場じばがあると、誘導電場ゆうどうでんば一般いっぱん保存力ほぞんりょくではない。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]F=qE
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔU=qΔV
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]VA-VB=Ed

12一言ひとこと

電場でんばちからすためのりょう電位でんいはエネルギーをすためのりょうである。

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