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中学生の学習ノート教科書をもう一段くわしく

静電気 ── +と−の電気

下敷きをこすって髪の毛がふわっと立つ、冬にドアノブでバチッとする、雷 ── これらすべて 静電気の働きです。電気の基本である「動かない電気」のしくみを見ていきます。

図でつかむ

摩擦で電子(−)が移動して帯電する こする前(中性) ティッシュ + − + − + − ストロー +−+−+− +と−が同数 → 帯電していない (原子=+の核と−の電子) こする 電子(−)が移動 こすった後(帯電) ティッシュ + + + 電子を失って + に ストロー − − − − 電子をもらって − に 電気の偏り = 静電気(帯電) 電気の性質 − − 同種 → 反発する + − 異種 → 引き合う 雷も同じしくみ 雲の中で氷の粒どうしが摩擦 → 上に+・下に−がたまる → 放電 電圧1億V以上・電流は数万A (下敷きや髪の毛と同じ「摩擦→帯電→放電」)
摩擦で電子(−)がティッシュからストローへ移動 ── ストローは−・ティッシュは+に帯電する。雷も同じしくみ

こする前は+と−が同数(中性)ですが、摩擦で電子(−)がティッシュからストローへ移ると、ストローは−に、ティッシュは+に帯電します。同種は反発・異種は引き合う性質と、雷も「摩擦→帯電→放電」という同じしくみであることまで図で確かめましょう。

静電気とは

用語
静電気
物体を こすりあわせることで生じる電気。動かない(静止した)電気。

電気の2種類

  • +(プラス)の電気
  • −(マイナス)の電気
  • 2種類があり、互いに作用する

電気の性質

原則
静電気の性質

同種の電気:互いに 反発する

異種の電気:互いに 引き合う

摩擦で電気が生じるしくみ

電子の移動

物質は原子で構成され、原子は + の核と − の電子からなる

通常は + と − が同数で電気的に中性

摩擦すると 電子(−)が一方から他方へ移動

電子を失った方が +(電子不足)

電子をもらった方が −(電子過剰)

身近な実験

ストローとティッシュ

ストローをティッシュでこする

→ ストロー:−の電気

→ ティッシュ:+の電気

ストローを別のストローに近づける(両方こすった)→ 反発する

ストローをティッシュに近づける → 引き合う

観察から考察へ

目的:こすった物体どうしが引き合うか、反発するかを調べ、静電気の種類を考える。

観察事実:同じようにこすったストローどうしは遠ざかり、ストローとティッシュは近づく。

考察:ストローどうしは同じ種類の電気を帯び、ティッシュは反対の種類の電気を帯びたと考えられる。

結論:同種の電気は反発し、異種の電気は引き合う。

安全メモ:放電を大きくしない
  • 静電気の性質は、軽い紙片やストローの動きで十分に観察できる。
  • コンセント、電源装置、電子機器に近づけて放電させる実験はしない。
  • 雷は巨大な放電なので、屋外で音が聞こえたら建物や車内に避難する。

身近な静電気の例

  • セーターを脱ぐとパチパチ音
  • 下敷きで髪の毛を引きつける
  • 冬のドアノブでバチッ
  • 洗濯物がくっつく
  • レーザープリンター(静電気でトナーを紙に付着)
  • コピー機(同じく)
  • 空気清浄機(静電気でほこりを吸着)

雷 ── 大規模な静電気

雷の正体

雲の中で氷や水滴が衝突 → 静電気が発生

雲の上部に+、下部に−の電気がたまる

電気の差が大きくなると、地上や雲どうしで 放電

→ 強い光(雷光)と音(雷鳴)

電圧は 1億ボルト以上、電流は数万A

放電

用語
放電
たまった静電気が 一気に流れ出すこと。火花や音が出ることも。

静電気を防ぐ・利用する

  • 防ぐ:金属に触れる前に壁などに触る、加湿、静電気防止スプレー
  • 湿気は静電気を逃がす:冬は乾燥して静電気が多い
  • 利用:コピー機、空気清浄機、塗装(自動車)

真空放電

真空に近い状態で放電

真空管に高電圧をかけると、内部で 放電が起こる

蛍光灯:水銀蒸気の放電による紫外線で蛍光物質が光る

ネオン管:ネオンガスの放電で光る

つまずきポイント①:「電気」と「電流」の違い
  • 静電気:動かない、たまった電気
  • 電流:電気が 流れている状態
  • 放電:静電気 → 電流 へ変わる瞬間
つまずきポイント②:電子は−
  • 原子の中で動くのは 電子。
  • 電子は −の電気を持つ。
  • 電子が多すぎる → − / 電子が少ない → +
  • 核(+)は普通動かない。

この章でつまずきやすいところ

静電気の本文は短いのに、読み進めるうちに「電子は+?−?」「ストローはどっちになるの?」と頭がこんがらがります。読みの途中で迷いやすい場面を、見分け方つきで整理します。

「電気」と「電流」を同じものとして読み進めてしまう

  • つまずく場面:本文の「静電気は動かない電気」「放電で一気に流れ出す」を読んでいる途中で、静電気・放電・電流の関係が頭の中でつながらず、どれも同じ「電気」としてまとめて覚えそうになる場面。
  • 克服のコツ:時系列で整理するのがコツ。①たまっている状態=静電気(動かない)、②一気に動き出す瞬間=放電、の二段階でまず押さえる。流れ続ける「電流」については次の節で詳しく学ぶので、ここでは①と②の区別ができれば十分。本文に出てきた語が①と②のどちらに入るかを毎回確認しながら読むと迷わない。
  • ミニ例:冬のドアノブで「バチッ」となるのは、手にたまった静電気が指先からノブへ放電した瞬間。たまっていた間は静電気、流れ出した瞬間が放電。流れ続けるしくみ(電流)はこの先の単元で扱う。

動くのは+のほうだと思い込んでしまう

  • つまずく場面:「電子を失った方が+」「電子をもらった方が−」を読んでいる途中で、+のほうが動いたのか−のほうが動いたのかが分からなくなり、+の粒が飛び移ったとイメージしてしまう場面。
  • 克服のコツ:因果関係で押さえる。原因=動くのは必ず電子(−)だけ、+の電気をもつ部分(原子核側)は動かない。結果=電子が出ていった側が+、もらった側が−になる。「動いたのは−のほう」と先に決めてから、+/−を割り振る順番にする。
  • ミニ例:ストローをティッシュでこすると、電子(−)がティッシュからストローへ移動。動いたのは−なので、もらったストローが−、失ったティッシュが+。

「反発」と「引き合う」を逆にイメージしてしまう

  • つまずく場面:ストローどうしを近づけたら遠ざかり、ストローとティッシュを近づけたら近づく ── という本文を読んでいる途中で、「同じ種類どうしは仲がいいから引き合うのでは?」と直感で逆向きに考えてしまう場面。
  • 克服のコツ:見分け方として「同じか・違うか」だけを先に判定するクセをつける。同種なら反発(離れる)、異種なら引き合う(くっつく)、と機械的に当てはめる。日常の「仲がいい/悪い」のイメージは持ち込まないと決めておく。
  • ミニ例:両方こすったストロー2本=どちらも−で同種→反発して遠ざかる。ストロー(−)とティッシュ(+)=異種→引き合って近づく。

雷を「静電気とは別物の特別な電気」として読んでしまう

  • つまずく場面:雷の大きさを示す説明を読んでいる途中で、規模の大きさに気を取られ、雷だけ静電気とは別のしくみで起きていると考えてしまう場面。
  • 克服のコツ:因果関係で同じ枠に戻す。雲の中で氷や水滴が衝突→摩擦で電子が移動→雲の上部に+、下部に−がたまる→電位差が大きくなって放電、という流れは下敷きや髪の毛と同じ。雷は下敷きや髪の毛の帯電に比べてけた違いに大きな電圧と電流をもつが、しくみは「摩擦→帯電→放電」で共通と覚える。
  • ミニ例:下敷きで髪が立つ=小さな帯電。雷=雲全体での巨大な帯電と放電。教科書では、どちらも同じ静電気の現象として整理する。

練習問題

問題1(電気の性質)

同じ種類の電気を帯びた2つの物体はどうなるか。違う種類なら。

答えを見る

同種:反発する / 異種:引き合う

問題2(摩擦電気)

ストローとティッシュをこすると、それぞれどの電気を帯びるか。なぜか。

答えを見る

ストロー:−/ティッシュ:+。摩擦で電子がティッシュからストローに移動したため。

問題3(雷)

雷は何の現象か。簡潔に説明せよ。

答えを見る

雲の中の氷や水滴の摩擦で静電気が発生し、それが大規模に放電する現象。

まとめ

  • 静電気:摩擦で生じる動かない電気。
  • +と−の2種類。同種は反発、異種は引き合う。
  • 摩擦で 電子(−)が移動する。電子不足が+、電子過剰が−。
  • 放電:たまった電気が一気に流れ出す。雷も大規模な放電。
  • 利用:コピー機・空気清浄機・蛍光灯。

もっと知る ── 発展・実生活(出典つき)

※ 教科書の内容に、信頼できる出典をもとにした発展・実生活・時事の話題を補足しています(教科書そのものではありません)。

雷は雲の中で生まれる巨大な静電気発展

発達した積乱雲の中では、あられと小さな氷の粒(氷晶)がぶつかり合うことで静電気が発生し、雲の上のほうと下のほうに+と−の電気が分かれてたまっていきます。電気のたまり方が限界をこえると、雲と地面のあいだ(落雷)や雲どうしのあいだで一気に放電が起こります。授業で学ぶ「摩擦で電気が分かれ、たまった電気が放電する」しくみが、空のスケールで起きている現象です。

出典:気象庁「雷とは?」

雷の電圧・電流はどれくらい大きい?発展

落雷では電圧が数千万ボルト、ときに1億ボルトにも達するほど高くなり、流れる電流のピーク値(波高値)は数千アンペアから、大きいときには10万アンペアをこえることもあります。実験で観察する静電気と同じ「電気が一気に流れ出す放電」ですが、そのエネルギーは桁ちがいに大きいのが特徴です。だからこそ、雷を人工的に再現するような実験は決して行わず、自然の雷から身を守ることが大切です。

出典:日本風力エネルギー学会誌(J-STAGE)「冬季雷の防雷」

雷が鳴ったら安全な場所へ避難しよう実生活

雷鳴が聞こえたり稲光が見えたら、すぐに頑丈な建物の中や自動車の中など安全な場所へ移動します。屋外で逃げ場がないときは、高い木からは2m以上離れ、姿勢を低くして持ち物を体より高く突き出さないようにします。雷の活動が止んでからも20分以上待ってから移動するのが安全です。

出典:気象庁「雷から身を守るには」

冬に静電気が起きやすいのはなぜ?実生活

摩擦で物体にたまった電気は、ふだんは空気中の水蒸気を通って少しずつ逃げていきます。ところが冬は空気が乾燥して水蒸気が少ないため電気が逃げにくく、物体に電気がたまりやすくなります。その結果、ドアノブに触れた瞬間などにバチッと放電を感じやすくなるので、加湿をすると静電気の不快なショックを減らせます。

出典:労働安全衛生総合研究所(JNIOSH)「静電気ショック!感じやすい人・感じにくい人」

コピー機・レーザープリンターは静電気で印刷している実生活

コピー機やレーザープリンターは、まず感光体という部品の表面を放電で帯電させ、光をあてて電気のパターン(潜像)をつくります。そこへ反対の電気を帯びたトナー(黒い粉)を静電気の力で引きつけ、文字や絵の形にして紙へ写し取ります。「異種の電気は引き合う」という静電気の性質を、身近な印刷の道具が利用しているのです。

出典:コトバンク(日本大百科全書ほか)「電子写真」

空気清浄機がほこりを集めるしくみ実生活

電気式の空気清浄機の中には、放電によって空気中のほこりにマイナスの電気を帯びさせ、反対の電気をもつ電極に静電気の力で吸着させて集めるものがあります。これは電気集じんと呼ばれ、とても小さな粒子を集めるのに向いています。摩擦だけでなく放電を使ってわざと物を帯電させ、静電気の引き合う力を役立てている例です。

出典:コトバンク(日本大百科全書ほか)「電気集塵」