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自由研究  ⇒  電気

静電気が起きる詳しい理由と、衣服を脱ぐときに静電気を感じる理由

静電気は物と物とがこすれ合うときの摩擦によって起き、その理由についてですが、その前の知識として
物質が原子で作られ、その原子の周りには電子があります。
その電子の内、原子の束縛から自由に逃れられる電子が 多いほど、電気が良く流れる物質になります。
(電流というのは電子の流れです)
また、電子をその属する原子から真空中に引き離す時に必要なエネルギーは物質によって異なります。
これを仕事関数と言います。

ここまで理解して頂いて、今、種類の違う金属を接触させたとします。
すると、水が高い所から低い所に流れて2つの水面の高さを等しくするように、 この2つの金属の接触面では仕事関数の大きさをならす様に、 仕事関数の小さい金属から大きい金属に電子が移動します。
この移動は“トンネル効果”によるとされています。
トンネル効果というのは
『越えられないエネルギーの壁があっても、  その壁が薄ければ一部の電子は突き抜けて通る』
というものです。

電子の移動の結果、 電子が少なくなってしまった金属がプラスの電気を帯び、 電子が集まった方の金属はマイナスの電気を帯びます。 (これを“接触帯電”と言います)

その他に接触面の汚れによってイオン化したものが移動して帯電する場合もあります。

このようにして静電気は起きますが、金属のように電気を流す物質の場合は、 その場に電子が留まることは無いので静電気として感じません。
接触させる物の一方が絶縁物質、或いは双方が絶縁物質の場合も、 自由に動ける電子が相手方に移動します。
金属と違うのは、 絶縁物質内に移動した電子は動くことが出来ないので滞留するという点で、 これが私たちに不快現象を感じさせます。

また、現代生活を支えている高分子化合物(合成繊維・合成樹脂など)は、 その化学組成により電子の移動のしやすさが様々なので、 AとBを接触させたらBがプラス電気を帯びるが、 BとCを接触させたらBがマイナス電気を帯びるということにもなります。
静電気の帯びやすさを“帯電列”として表すことがあります。
一例を挙げますと、プラス端から
(+)毛皮、ガラス、雲母、絹、綿、木材、琥珀、樹脂、金属、硫黄、セルロイド(−)
となります。
帯電列の使い方は簡単で、絹のブラウスの上に毛皮の物を羽織った場合には、 毛皮がプラス電気を帯び、絹がマイナス電気を帯びると即座に判ります。


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日常、私たちが静電気を感じるのは、物と物とを擦るときです。
下敷きで静電気を起こすときは故意に擦りますが、 セーターを脱ぐときに起きる静電気も脱ぐという動きの中で擦れて起きています。
このように物と物と擦るときに起きる静電気を“摩擦帯電”と言い、 摩擦帯電は接触帯電より数桁大きい電圧なので実用的には重要になりますが、 この解明は非常に難しいようです。

擦り合わせると帯電する電気の量が桁違いに増えます。
その理由として、接触する面積が増加するからという説があります。
接触する面を拡大してみると凸凹がありますから、 一度接触させただけでは全ての面が接触しない訳です。
擦り合わせる回数が増すと、 それまで接触してなかった部分が接触し帯 電量が増える可能性があります。
実験ではこの説を裏付けるように 擦り合わせる回数が少ない間は擦り合わせるほど帯電量が増え、 回数が増すに連れて帯電量の増加が頭打ちになります。

その他の説として、 擦り合わせると、一時的にせよ数百度の高温になりますから その熱の移動が電子を一緒に移動させるというのもあります。
この例として、 「同じ物質で出来た物でも擦り合わせる向きを変えると帯電する」 という実験があります。
これは高温部分とそうで無い部分が出来て熱が移動するために 一緒に電子も移動させると考えられていて、 ポリエチレンの板同士を擦り合わせた場合は、 プラスに帯電した微小点とマイナスに帯電した広い面積部分が現れます。

氷の棒同士の場合は摩擦部分の面積の狭い方がマイナス電気を帯び、 広い方がプラス電気を帯びます。
これは摩擦面でイオン濃度が増加して、 動きやすい水素イオンが動くためだと確かめられています。

その他にも 物体に外力が働くことにより表面に電荷を生ずる“圧電効果”や、 温度変化によって電荷を生ずる“焦電効果” という説もありますし 分子の熱運動の共鳴・共振によるという説もあります。

色々なものが相互作用して 高い電圧の静電気を発生させているとは思いますが複雑です。

最期に、セーターを脱ぐときなどに パチパチという音を聞いて実感することですが、 静電気の電圧は、2つの物体を引き離す際に高い電圧になります。
摩擦帯電・接触帯電のいずれにしろ、 正負に帯電した2つの物体の接触面には、 2枚の金属板を向かい合わせて電圧を掛けたような “コンデンサー”が出来ています。
コンデンサーの基本式である
V=Q÷C
(電極間の電圧=蓄えられている電気量÷コンデンサーの容量)
を思い起こすと、 物体を引き離せば、コンデンサーの容量が減り、 代わって物体間の電圧が上がり、空気の絶縁を破るほどの高電圧になったときに放電して、音を立てます。
小さな落電が起きているのと同じです(電圧は軽く数万ボルトを超えますが、電流は小さいので人体には危険はありません)

歩行中のスカートの端の様に接触と離れを何度も繰り返している物体間の場合は、 引き離したときに電界が高くなり(2物体間の電圧が高い)、 その影響で電子が接触面から他の場所に移動するために、 次に接触したときには新たに帯電するという現象が起きます。
結果、発生する電気量は、上限はありますが、数回の摩擦より多くなります。




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