金属に電界を加えると、若干の分極が起きるのか？

質問

こんにちは、
ある本を読みますと、不導体に電界を加えると分極が起きると書かれておりますが、下記に電界を加えると「誘電分極」は起きるのでしょうか？

Cu,Au,Pt,Hg,Pb,Th,U,Pu

また、これらの金属に電界を加えて「誘電分極」させる以外に、圧力、温度等を加えて分極させる方法はあるのでしょうか？

回答No.6

leo-ultra · ベストアンサー

金属に電界をかけると、自由電子が電界を遮蔽するように移動して、金属の内部には電界は入れないように思えます。

理想的には、金属内部は等電位面になるはずです。

>質問１）ある金属に、帯電した物体を近接すると、帯電した物体とは反対の性質の正または負の電気が生じ、吸引される静電誘導が発生しますが、帯電した物体の電荷を、ゼロから、どんどん増加させた場合、金属内の電子とプラスイオンは分極していきます。

静電誘導という現象を勘違いしています。「静電誘導」とは要するに、「金属内部に電場が入れないこと」と同値です。金属内部に電場が入れないので、金属表面は等電位面です。等電位面には垂直に電気力線が入ります。

この電気力線の分布は「実際には存在しない鏡映電荷が金属内部にあたかも存在するような電場分布であり、その結果、あたかも鏡映電荷にひかれるような力を受ける」だけです。だから、どう頑張っても分極しないと思います。

>質問２：金属（導体）には自由電子がたくさんあるので、電界を加えると、自由電子は電界の逆方向へ、プラスイオンは電界の方向へ、それぞれ金属（導体）の表面に向かって、大量に移動（つまり分極）する

確かに自由電子は移動しますけど、プラスイオンは金属を形成しているので、普通は動きません。

自由電子が移動して不足したら、すぐにその不足を満たすように他の場所から自由電子が供給されます。

たしかにライデン瓶っていうでしたっけ、あのガラス瓶の中の金属箔が開くやつ、確かに金属中で余分な電荷があると、端から端まで流れます。

その過程で一瞬分極するのかもしれませんが、自由電子は速いので、我々の知覚できる時間スケールでは分極は見られないと思います。

>導体とは誘電率が無限大である誘電体の一種であると考えることもできるのである

確かにこれは聞いたことがあります。でも少し間違えていませんか？「誘電率が無限大の物質である」ではないでしょうか？

「誘電体」であるということは「絶縁体」であるという
語感があります。つまりこの文は「導体は絶縁体である」ということになり、言葉の定義を責められたのも
ここら辺が原因ではないでしょうか？

>ブルーバックスに「導体には自由電子がたくさんあるので、電界を加えると、自由電子は電界の逆方向へ、プラスイオンは電界の方向へ、それぞれ導体の表面に向かって、大量に移動（つまり分極）する。」と書いてあった。

ブルーバックスの著者のレベルの低さに呆れますね。
仮にも大学の先生が導体の自由電子遮蔽を知らないのかな。

やはりブルーバックスは功罪ありますね。
あれは物理を知らない高校生に物理に興味をもってもらおうと、本当と嘘がごちゃまぜに書かれています。

質問者は大学３，４年生以上だと思いますが、もうブルーバックスを読む年齢ではないのでは。

補足

お返事ありがとうございます。

なんか、もうよくわからなくなってきました。私は、金属に分極してほしいのですが、、、
では、やはり、「金属には分極という現象はありえません。」 ということなのでしょうか？しかし、下記HPには、「金属に電磁波を当てたとき、自由電子が振動し、共鳴振動数より低い振動数の光の場合、入射光と逆向きの分極が起こるため、光をよく反射します。」って確かに書いてます。やっぱり、金属は分極するのだと思いますが、如何でしょうか？

金属の色の物理的起源　http://home.sato-gallery.com/education/kouza/metal_color_seminar.pdf

追伸

＞仮にも大学の先生が導体の自由電子遮蔽を知らないのかな。
いえ、確かに「導体の自由電子遮蔽」については、この本に書かれていました。私の説明不足のため、誤解が生じたのだと思います。

回答No.7

leo-ultra

>「金属には分極という現象はありえません。」 ということなのでしょうか？しかし、下記HPには、「金属に電磁波を当てたとき、自由電子が振動し、共鳴振動数より低い振動数の光の場合、入射光と逆向きの分極が起こるため、光をよく反射します。」って確かに書いてます。やっぱり、金属は分極するのだと思いますが、如何でしょうか？

わかりました。光の周波数の話をされているのですね。我々はほとんど周波数ゼロのことを考えていました。
そういうことですか？　確かに分極なのかな？

でも光をよく反射する領域では、光は金属の表面付近にしか入れません。だって逆位相で振動するから、表面付近で打ち消されて光電場は金属の中にの方へは入れない。

そもそも光の周波数では金属の誘電率は無限大とはみなせなくなります。

でも強い反射が起こる領域は特性周波数よりも低い方だから、低周波の電場と質的には変わりがないはずで、
そういう考えをすると、ゼロ周波数でも分極が起こりそうな気がしてきた。

よくわからなくなってきました。

静電遮蔽も分極の一種と考えるのでしょうか？

お礼

お返事ありがとうございます。

＞静電遮蔽も分極の一種と考えるのでしょうか？

調べましたら、金属の内部の電界はゼロで、金属表面に電荷があるようなことを記載されています。しかし、表面と言っても、１０^(-？)かの厚みに、電荷が分極（？）しているようです。大変厚みが薄いので、金属は分極しないと言っても間違いないかもしれません。
一方、光が入射した場合は、電気分極するようです。しかし、これも、表面に近い部分だけの現象かもしれません。

回答No.5

Denkigishi

行き掛かり上書かせて頂きますが、私はご質問の金属内部の原子レベルでどういうことが起きるのか説明する知識は持ち合わせておりません。
電気屋の立場で回答すると、外部にそれだけの強い電界をかけると、あなたが期待されているような現象が起きるずっと手前で空気の絶縁が破壊されて実験は出来ないと思います。

補足

お返事ありがとうございます。

＞金属には分極という現象はありえません。
これって、電気屋さんの本に明記されているのでしょうか？いろいろと、調べてみました。下記HPを読んでみますと、「金属が、長波長側で、よく反射するのは、光が進入すると、逆向きの電気分極が生じ、電界を遮断（すなわち反射）するからである。」と書いています。しかも、その説明は、量子力学を使用せず、古典電子論と電磁気学から説明できるとも書いています。更に、その式は、有名な学者ローレンツ（１００年前の偉い人）が作った式らしいです。

金属の色の物理的起源　http://home.sato-gallery.com/education/kouza/metal_color_seminar.pdf

回答No.4

Denkigishi

用語の議論はしたくないと言われていますが、それは手前勝手というものです。お互い共通の言葉を持たずして、どんな議論が交わせるというのでしょうか。
電気屋さんと物理屋さんで、というより、物理学と電気工学との間には基本的なギャップがあることは事実です。
日本において、電気工学としての電磁気学を集大成されたのは、大阪帝国大学の竹山説三博士で、昭和１８年に発刊された「電磁気学現象理論」という書物がいわばバイブルになっていると私は理解しています。主流の電磁気学の書物はこの本の流れに沿って説かれており、多くの大学の電気工学科での講義内容は、ほぼこれに沿った内容だと思われます。
物理学がミクロな現象を扱うのに対して、電気工学としての電磁気学ではマクロな現象を扱います。更に、前記の書物の緒言で「現象理論では実在認識に相当しなくても現象が説明出来ればそれでよい。」という主旨が述べられていて、物質の内部構造について論じることは範囲外であり、原子とか電子とかは重要な箇所には扱われていません。
静電誘導もそういう工学体系のなかで説明されていることであって、物質構造を根拠にしているものではありません。従って、物理学と同じ土俵で扱う概念ではありません。そういうことを無視した書物も出ていると思いますが、一種の読み物として扱うしかありません。私も弁えてはいましたが、うっかり「電子」と書いてしまいました。これを「電荷」に書き改めます。
なお、自分は電気技術者なので「専門家」と書いておりましたが、物理学については「一般人」です。

補足

お返事ありがとうございます。

よくわかりました。更に、下記についてご教示願います。

質問１、

ある金属に、帯電した物体を近接すると、帯電した物体とは反対の性質の正または負の電気が生じ、吸引される静電誘導が発生しますが、帯電した物体の電荷を、ゼロから、どんどん増加させた場合、金属内の電子とプラスイオンは分極していきます。その場合、分極の度合いは、どのような式に従うのでしょうか？また、分極が飽和した後は、どのような現象が起きるのでしょうか？

質問２、

「金属（導体）には自由電子がたくさんあるので、電界を加えると、自由電子は電界の逆方向へ、プラスイオンは電界の方向へ、それぞれ金属（導体）の表面に向かって、大量に移動（つまり分極）する。」現象が発生しますが、電界の強度を、ゼロから、どんどん増加させた場合、金属内の電子とプラスイオンは分極していきます。その場合、分極の度合いは、どのような式に従うのでしょうか？また、分極が飽和した後は、どのような現象が起きるのでしょうか？

質問３、

質問２の場合、最後は、ショートして金属が焼けきれるはずですが、それは金属結合が切れるのでしょうか？

回答No.3

imoriimori

Denkigishiさんが指摘されているように、用語は正しく使わないと混乱の元です。他者とのコミュニケーションが成立しなくなるほかに、自分の中でも全体の理解に混乱を招く可能性が生じます。
金属は巨視的には誘電率無限大の誘電体のようにも見えるという理解はある程度当を得ているのではないかと思います。しかし、だからといって一種の誘電体だというのは飛躍です。
金属は自由電子の移動でありこれを「静電誘導」という、誘電体は自由電子は無いので束縛された範囲でのミクロな電荷配置の変化すなわち「分極」、別物。
例えば教科書的には「金属はバンドギャップ無し、誘電体はバンドギャップ巨大」でありまるで似ていないわけで、なのに「金属は一種の誘電体」と位置づけると教科書体系大改訂です。
また、「従いまして、金属も分極すると考えて間違いない」と言われてしまうと、「その分極というのは普通に言う分極とは違っていて、ddd1000さんの世界の中で独特の意味づけ・定義がされている、私たちにはそれがなんだかわからないから会話途絶」ということになってしまいます。

補足

お返事ありがとうございます。

＞その分極というのは普通に言う分極とは違っていて、ddd1000さんの世界の中で独特の意味づけ・定義がされている。

これは、違います。「静電気のＡＢＣ　堤井信力先生著　ブルーバックス」　Ｐ７０に、「導体とは誘電率が無限大である誘電体の一種であると考えることもできるのである。」とか「導体には自由電子がたくさんあるので、電界を加えると、自由電子は電界の逆方向へ、プラスイオンは電界の方向へ、それぞれ導体の表面に向かって、大量に移動（つまり分極）する。」と記載されていましたので、引用させて頂きました。多分、電気屋さんと物理屋さんで、若干の定義の差があるかもしれません。

ところで用語についてですが、

静電誘導（せいでんゆうどう;Electrostatic induction）とは、物体に帯電した物体を近接すると、帯電した物体とは反対の性質の正または負の電気が生じ、吸引される現象のこと。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9D%99%E9%9B%BB%E8%AA%98%E5%B0%8E

なのですが、

「金属（導体）には自由電子がたくさんあるので、電界を加えると、自由電子は電界の逆方向へ、プラスイオンは電界の方向へ、それぞれ金属（導体）の表面に向かって、大量に移動（つまり分極）する。」現象は、何と呼べば良いのでしょうか？上との違いは、帯電した物体を近づけるか、電池を繋ぐかの差だと思われます。これは金属の誘電分極と呼ぶしか名前がないのでは？

追伸

言葉の定義について、論議するつもりは全くありません。私の質問の焦点がずれるからです。しかし、静電誘導とそれに近い上記現象（金属の誘電分極？）に大変興味がありますので、まず明確にさせたいです。

回答No.2

Denkigishi

こういう話題を論じる場合には用語を定義通りに使わないと他の人に意味が伝わりません。分極（polarization）はFaradayが誘電体の電荷歪に対して定義したもので、同じ現象をMaxwellは変位（displacement）と呼んでいます。金属には分極という現象はありえません。
静電界中に金属を置くと、電子は高電位側に集まります。コンデンサの電極で常に起きている当たり前のことで、わざわざ質問されるようなことでもありません。

補足

お返事ありがとうございます。

＞金属には分極という現象はありえません。
金属に電界を加えると、自由電子は電界の逆方向へ、プラスイオンは電界の方向へ、それぞれ金属の表面に向かって、分極（大量に移動）するのではないでしょうか？このときの誘電率は無限大で、金属は一種の誘電体と考えられます。従いまして、金属も分極すると考えて間違いないと思います。

回答No.1

Denkigishi

誘電分極は誘電体（プラスチックのような絶縁物）に生じる現象で、金属のような導体とは無関係です。

お礼

少し調べたのですが、「静電誘導」ってのがありますね。これで金属も分極が起きるのではないでしょうか？

補足

お返事ありがとうございます。

＞誘電分極は誘電体（プラスチックのような絶縁物）に生じる現象で、金属のような導体とは無関係です。

常識的には、そうかもしれません。自由電子がぐるぐる廻るだけで、分極は起きないと思われます。

たとえば、ある方向からマイナスの強烈な電荷を作用させて、分極を起こすようなことは出来ないのでしょうか？