【中学2年理科】 真空放電と静電気のポイント・問題

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中学2年理科。静電気と真空放電について学習します。静電気が発生するしくみや放電管やクルックス管(真空放電管)を使った放電の実験を確認します。

静電気のしくみ

静電気とは、電流が流れにくい物質である絶縁体どうしを摩擦することで生じる電気です。こすり合わせる、つまり摩擦を起こすことで、電子という-の電気を帯びた粒子が移動することで生じます。

下の図のように、2種類の物質を用意します。静電気が発生する前は、物質の中にあるプラスの電気を帯びた粒子と、マイナスの電気を帯びた粒子が同じ数ずつあります。ということは、物質全体で、どちらも電気を帯びていない状態です。

静電気1

この2種類の物質をこすり合わせる、摩擦させると、次の図のように、マイナスの電気を帯びた粒子である電子が、一方の物質から他方の物質に移動します。

静電気2

マイナスの電気を帯びた粒子「電子」が移動することで、電子が出ていった方の物質は、プラスの粒子の方が多い状態になり、全体的にプラスの電気を帯びます。一方、マイナスの電気を帯びた粒子「電子」がくっついた方の物質は、マイナスの粒子である電子の方が多い状態になります。

このように、摩擦により物質が電気を帯びる現象を「静電気」と呼ぶのです。

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引きつけ合う・しりぞけ合う力

摩擦したものどうしは、上の図のように、プラスとマイナスの異なる種類の電気を帯びます。異なる種類の電気を帯びると、物質どうしの間に「引き合う力」が発生します。下敷きを髪の毛にこすり付け、ゆっくり離すと、髪が下敷きにくっつくのはこのためです。

帯びる電気の種類によって、引きあったり、しりぞけ合ったりします。

  • プラス(+)プラス(+)→しりぞけ合う
  • プラス(+)マイナス(ー)→引き合う
  • マイナス(ー)マイナス(ー)→しりぞけ合う

放電

摩擦によって静電気が生じると、一方の物質にマイナスの電気を帯びた粒子「電子」がたまります。上の図で言うと、ストローに電子がたまっている状態です。このストローを指でそっと触れてみると、たまっていた電子が一気に指に向かって流れ込んできます。この現象を放電といいます

つまり、電流の正体は電子の流れだということがこれで分かるのです。

静電気の確認問題

  1. 摩擦によって生じる電気を何というか。
  2. 電流が流れにくい物質を摩擦した場合、摩擦したものどうしは同じ種類の電気を帯びるか。それとも、異なる種類の電気を帯びるか。
  3. 2の場合、物質どうししりぞけ合うか、引き合うか。
  4. 摩擦することに移動するマイナスの電気を帯びた粒子を何というか。
  5. 摩擦によってたまった粒子が一気に流れる現象を何というか。

解答

  1. 静電気
  2. 異なる種類の電気を帯びる
  3. 引き合う
  4. 電子
  5. 放電

真空放電とは

真空放電とは、放電管内の空気を抜いて、気圧が低い状態し、放電管の両端に高い電圧をかけることで起こる放電現象です。次の手順で実験を行います。

  1. 放電管内の空気を真空ポンプで抜き、圧力が低い状態にする。
  2. 誘導コイルを使って放電管の両端に高い電圧を加える。
  3. 管内のようすを観察する。

真空放電

放電管内に青い線が見えます。これは、放電管の両端に強い電圧を加えることで、放電管内に電流が流れたためです。この電流の正体は電子というマイナスの電気を帯びた粒子で、空気中の酸素や窒素原子と電子が衝突することで、青い光の線が見えるのです。

誘導コイルと真空ポンプ

この実験で使う誘導コイルとは、高い電圧を発生させる装置です。よくテレビであっている科学実験で登場する、静電気を発生させるマシーンのようなものになります。

真空ポンプとは、その名の通り、放電管内の空気を抜いて真空に近い状態にする装置です。

クルックス管を使った放電現象

放電管よりも少し大きなクルックス管を使った放電実験もあります。クルックス管(真空放電管)の実験では、どれが何極なのかをしっかりと覚える必要があります。実験の概要は放電管の実験と同じです。

真空放電

クルックス管の両端に誘導コイルを使って高い電圧を加えると、図でいうとクルックス管の左側の陰極から明るい線が見え始めます。この線を陰極線といいます。

電子線(陰極線)

この陰極線の正体ですが、次の実験より、マイナスの電気を持った電子であることがわかりましたので、陰極線といってもいいのですが、電子線とも呼ばれるようになっています。

真空放電

クルックス管内の陰極線に対して、垂直になるように電圧を加えます。上の図では上側に-極、下側に+極を接続します。この状態で、クルックス管に電圧を加えると、陰極線は+極がある下側に曲がります。電子線(陰極線)の正体はマイナスの電気を帯びた粒子「電子」なので、-極と反発し、+極に引き寄せられるためです。

このことから、陰極線の正体はマイナスの電気を持った電子だということがわかります。

真空放電のポイント!真空放電管ないの光の線を「陰極線」または「電子線」という。
陰極線(電子線)の正体である電子は−極から+極に移動する。
陰極線(電子線)の正体である電子は-の電気を持った粒である。

電流の流れと電子の移動する向き

電子は電源の-極から+極に移動すると学習しました。しかし、最初に学習した電流は、+極から-極に流れると学習したはずです。

  • 電子… -極 → +極
  • 電流… +極 → -極

教科書や参考書には、電流の向きと電子の向きは逆になると説明がしてありますが、これはなぜなのでしょうか。

結論から言ってしまうと、導線の中を何かが流れている。その何かを最初に発見した人物が電流としました。電流はプラスからマイナスに流れるものと決めたのです。

それから時が経って、電子というものが電気の流れの元であるとわかったのです。この電子はクルックス管の実験からもわかるように、-極から+極に向かって移動していることが判明しました。

ちょっとややこしいのですが、そういう決まりなのだと割り切って覚えてしまいましょう!

真空放電の確認問題

  1. 放電管内の気圧を低くした状態で、高い電圧を加えると発生する現象を何というか。
  2. 放電管内の空気を抜いて、気圧が低い状態にするために使う装置の名称を答えよ。
  3. クルックス管で真空放電を起こした場合に見られる白い線のようなものを何というか。
  4. 3は何極から何極に進んでいるように見えるか。
  5. 3の正体はマイナスの電気を帯びた粒子であるこの粒子の名称を答えよ。

解答

  1. 真空放電
  2. 真空ポンプ
  3. 陰極線(電子線)
  4. -極(陰極)から+極(陽極)
  5. 電子

【練習問題】静電気

静電気問題発泡スチロールでできた球a、bを、それぞれ異なる材質の布でこすって右図のように棒にひもでつるしたところ、球aと球bが引き合った。次に、別の布でこすった発泡スチロールでできた球cを球bに近づけたところ、図のようにしりぞけ合った。これについて、次の各問いに答えよ。

(1)この実験で使った、発泡スチロールも布も電流が流れにくい物質である。電流が流れにくい物質を何というか。

(2)球aと球bが引き合ったことから、球aと球bは同じ種類の電気を帯びているか、異なる種類の電気を帯びているか。

(3)球cが+の電気を帯びていたとすると、球aは+と-のどちらの電気を帯びているか。

(4)球aをこすった布と、球cをこすった布を近づけるとどうなるか。簡潔に答えよ。

(5)次の文章は、この実験についてまとめたものである。文中の( )に適する語句や記号を書き入れよ。

電流が流れにくい物質どうしをこすり合わせると、一方の物質から他方の物質に( ① )の電気を帯びた粒子である( ② )が移動する。したがって、こすり合わせたものどうしは( ③ )種類の電気を帯びる。このように、電流が流れにくい物質どうしの摩擦によって生じる電気を( ④ )という。

【解答・解説】静電気

(1)絶縁体(不導体)

抵抗が大きく、電流が流れにくい物質を絶縁体、または不導体といいます。絶縁体の「縁」を「緑」と書かないように注意しましょう。

(2)異なる種類の電気を帯びている。

同じ種類の電気には、しりぞけ合う力がはたらきます。+と+、-とーの場合はしりぞけ合います。異なる種類の電気には、引き合う力がはたらきます。+と-の場合は引き合います。

(3)マイナス(-)

球cが+の電気を帯びているので、球cとしりぞけ合っている球bは、球cと同じ+の電気を帯びているとわかります。したがって、+の電気を帯びている球bと引き合っている球aは、球bと異なる-の電気を帯びています。

(4)引き合う。

摩擦した物質どうしは、異なる種類の電気を帯びます。これは、摩擦した一方の物質から、他方の物質に-の電気を帯びた粒子が移動するためです。球cは+の電気を帯びていることから、球cを摩擦した布は-の電気を帯びているとわかります。また、球aは-の電気を帯びていることから、球aを摩擦した布は+の電気を帯びているとわかります。したがって、布どうし異なる種類の電気を帯びているので、互いに引き合います。

(5)①-(マイナス) ②電子 ③異なる ④静電気

静電気は、絶縁体などの電流が流れにくい物質どうしを摩擦することで生じる電気です。摩擦によって、一方の物質から他方の物質に-の電気を帯びた電子が移動するためです。電子が出ていった物質は+の電気を帯び、電子を受けとった物質は-の電気を帯びます。したがって、摩擦したものどうし引き合う力がはたらきます。

【練習問題】真空放電

問題気圧を低くした空間に電流が流れる現象について調べるために、次の実験を行った。後の各問いに答えよ。

【実験】
①クルックス管に蛍光板を入れ、真空ポンプで空気を抜き気圧を低くした状態で、電極A、Bに( X )の+極、−極からのいずれかの導線をつなぎ大きな電圧をかけると、図1のように蛍光板上に明るい線が現れた。
②①の状態からさらに、電極C、Dに電源装置の+極、−極からのいずれかの導線をつなぎ、電極C、D間に電圧をかけると、明るい線が図2のように、上向きに曲がった。
③次に①の状態から、図3のように、U字型磁石のN極を手前にしてクルックス管の上から近づけ、明るい線のようすを調べた。

真空放電

(1)空間に電流が流れる現象うち、実験の①でクルックス管内の蛍光板に明るい線が現れたように、気圧を低くした空間に電流が流れる現象を何というか。

(2)実験①で、電極A、Bに大きな電圧をかけるために使った装置の名称( X )を答えよ。

(3)実験②で、クルックス管の電極のうち、−極からの導線をつないでいるものはどれか。図2の電極A~Dの中から2つ選び、記号で答えよ。

(4)次の文は、実験①でクルックス管内の蛍光板に見られた明るい線について話している会話である。文中の( ア )~( ウ )にあてはまる語句や記号を記入せよ。

生徒「明るい線をつくっているものは、電極から飛び出した( ア )とよばれる小さな粒ですよね。」
先生「そうです。この粒は( イ )の電気を持っている粒になります。」
生徒「この明るい線の名前は何というのですか。」
先生「明るい線は( ウ )という名前がついています。」

(5)実験③で、U字型磁石をクルックス管に近づけたときの、明るい線のようすとして適するものを、次のア~カの中から1つ選び、記号を書きなさい。
ア 明るい線が消えた
イ 明るい線が下向きに曲がった
ウ 明るい線がN極側に曲がった
エ 明るい線がS極側に曲がった
オ 明るい線がさらに明るくなった
カ 明るい線の色が変わった

【解答・解説】真空放電

(1)真空放電
電流が流れる現象を放電といいます。中でも真空中や気圧が低い状態で起こる放電を、真空放電といいます。

放電電流が流れる現象を放電という。
❶気圧が低い状態で放電することを真空放電という!
❷空気中での放電を火花放電という!

(2)誘導コイル
電磁誘導の原理を利用して大きな電圧を発生させる装置が誘導コイルになります。

(3)電極A、電極D
明るい線は−極側から+極側に伸びます。電極Aが−極側、電極Bは+極側に接続することを覚えておきましょう。また、図2では、明るい線の正体であるマイナスの電気を帯びた電子が上側に曲がっていることから、電極Cが+極、電極Dが−極であるとわかります。

電子線(陰極線)・-極から+極に向かって伸びる!
・電子線(陰極線)の正体は電子!

(4)ア:電子 イ:− ウ:電子線(陰極線)
明るい線の正体は、マイナスの電気を帯びた粒である電子になります。なので、明るい線の名称は電子線になります。電子は−極から+極に向かって移動します。

(5)
クルックス管内には電流が流れています。ここに磁界をつくってあげると、電流が次回から力を受け電子線が上側か下側に曲がります。選択肢で上か下に曲がっているのはイのみです。詳しくはフレミングの左手を使うと曲がる方向がわかります。

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