放電

質問

針-棒での実験なのですが
棒を２本用いて、２つの棒から等距離に針をおきます。
そして、針側に電圧をかけて放電させる実験を行ったのですが
理論的にはどちらに放電がとぶかは1/2の確率だとおもうのですが
片方を接地し、もう片方は設置せず、解放状態にすると
接地した側にほとんどとんでしますのはなぜなのでしょう？？
お願いします。

回答No.4

info22 · ベストアンサー

#2、#3です。
#2の補足質問の追加部分の回答
>あと、補足なのですが、今実験は
>電源を入れた瞬間最初にどちらにとぶのかを
>調べさせられ、なぜか、接地側がほとんどだったんです…

この差は、絶縁導体棒の長さが関係しているかと思います。
接地導体は誘起される電荷の反対電荷が無限遠方にある（電極棒が無限長と見なせる）ため、針電極と誘起された電荷の間だけの問題となるのに対し、絶縁された導体棒は針電極と同じだけの反対電荷が誘起されるけれども、誘起電荷と反対極性の電荷（針電極の電荷と同じ極性）が導体棒の近くに存在するため、放電しやすさの差になるでしょう。

絶縁棒の導体も、徐々に針電極と同じ極性の電荷を全体として帯びてきますので、電源を入れなおす度に接地して放電して絶縁導体の帯電電荷を完全にゼロにしておかないと実験の意味がなくなりますね。

お礼

わかりやすい説明ありがとうございました。

回答No.3

info22

#2です。
補足質問の回答

→の解釈は一度、非接地電極に放電すると針電極と同じ電位をもつということなのでしょうか？？
電気的に周囲から絶縁された停電していない導体に対して、他の帯電した電極を近づけると、近い方に逆極性の電荷、反対側に同じ極性の電荷が誘起される事、及び、もともと帯電していない絶縁された導体の電荷の総和はゼロである事は説明した通りです。

一方、高い電圧を掛けで電荷をもった導体に鋭利な尖がった部分はあるとそこから空気中に放電する現象がおこり、尖がった空気中の気体分子を同じ極性にイオン化して電気を通しやすくなります。つまり周囲の空気は完全な絶縁体と見なせなくなって行きます。
周りに導体があれば、イオン化した気体の電荷が導体に乗り移って行きます。その結果少しずつですが、導体の総電荷が同じ極性に帯電して行きます。空気中のイオン化の状態によって、乗り移る電荷の量が変わります。

絶縁された導体に乗り移る電荷量は非常にすくないですから、帯電導体と同じ電位になるには相当な時間がかかるでしょう。空気中の気体分子のイオン化による帯電状況は極めてわずかです。尖がった帯電導体が高電圧ほど空気中に放電する電荷が多くなり、空気中の気体のイオン化が進み、そのイオン化気体が周囲に拡散して行く程度が増加しますね。この程度により同電位に近づく時間も影響を受けますね。帯電気体を風等で吹き飛ばせは帯電気体もなくなりますので、絶縁導体に乗りうつる電荷もなくなるでしょう。また、絶縁導体と尖がった針状の電圧を掛け帯電した電極導体の距離も、イオン化気体による電荷の乗り移り量に影響します。

普通に実験している環境や時間内では、同電位にはならないけれども、針導体の電荷と同じ極性の電荷か、帯電気体分子が電荷の運び役になって絶縁導体に乗り移ることは確実に起こっていきます。
尖った帯電導体の先端は、電荷が空気中に放電するという事により、質問の実験の放電確率の差の原因となっていることは確実でしょうね。

参考
尖った導体からの放電の実験：ハミルトン車と放電で電気対流が起こる実験
http://museum-eng.eng.niigata-u.ac.jp/b/3/I-3p28.jpg
エッフェル塔先端からの放電と落雷
http://jiten.biglobe.ne.jp/j/75/f9/c7/1ec3fc8777142222c4e105fe4ab17550.htm
マイナスイオン発生器
http://ozone-world.net/ozoion_files/ozoion.html

回答No.2

info22

接地した方の電極に、針側にかけた電圧によって現れる電荷と反対極性の電荷が、接地した電極に対して、大地から無制限に誘導されるからですね。

接地していない棒電極の電荷はトータルの電荷は0です。そして針電極に近い方に針電極と反対の電荷が集まり、遠い方に針電極と同じ電荷が集まりますが、針電極自体放電しやすいため、少しでも空気の絶縁が破れて非接地電極に電荷が移動すると、非接地電極棒が針電極と同じ方に帯電していくため、針電極と非接地電極棒の間の電圧が減少していき、放電が起きにくくなります。
一方、接地電極棒の方は幾ら放電しても、針電極の電荷に等しい、逆極性の電荷が次々補充されますので、針電極と接地電極棒との間にかかる電圧は、放電回数や目に見えないわずかな放電には関係なく一定ですので、何回でも放電を繰り返せます。なので、放電する電極棒が接地側に偏るわけです。

針電極の電荷は非常に空気中に放電しやすいですね。卍の先端を針状にして真ん中を回転できるように吊るす（或いは持ち上げて支えておく）と放電方向と反対に回転します。はっきりした火花放電よりも前に、目に見えない少量の放電は針の先端から発生します。避雷針などは雷雲によって誘導された大地の電荷を天空に放電して逃がす働きがありますし、その放電によって電気の通り道ができて、雷が避雷針に落ちやすくなるというわけです。避雷針は針電極（電荷は大地から供給され、その電荷は雷雲の電荷に引き寄せられて集まってくる）の働きをしているわけですね。

補足

ありがとうございます。
→
少しでも空気の絶縁が破れて非接地電極に電荷が移動すると、非接地電極棒が針電極と同じ方に帯電していくため、針電極と非接地電極棒の間の電圧が減少していき、放電が起きにくくなります。
→の解釈は一度、非接地電極に放電すると針電極と同じ電位をもつということなのでしょうか？？

あと、補足なのですが、今実験は
電源を入れた瞬間最初にどちらにとぶのかを
調べさせられ、なぜか、接地側がほとんどだったんです…
長々すいませんでした。
よろしくお願いしますm(_ _)m

回答No.1

sanori

こんばんは。

・接地した棒　＝　ＧＮＤ

・接地していない棒　＝　フローティング

ですよね？

接地していない棒で全く放電が起こらないとまでは言えないのですが、
ごく一瞬だけ放電しただけで針と同じぐらいの電位になってしまい、そこから後は放電しなくなります。

一方、
接地している棒は、いくら放電が起こっても、常に電位がＧＮＤに固定されているため、
針に電圧をかけている限り、放電がいつまでも続きます。

つまり、接地していない棒では、放電は最初の一瞬だけで、かつ、その放電量も微小（※）であるため、
放電を観測しにくいということです。
（※：あらかじめ、棒に著しく多量の電荷が充電されている場合を除く。）

以上、ご参考になりましたら。