誘電体（木材）と帯電について教えてください。

質問

学生実験で木材と帯電について調べています。
具体的には木材を通過した電界が帯電粒子に及ぼすクーロン力を調べたいです。もちろん、具体的な数値は難しいと思っていますが、例えば自然落下する負に帯電した50μmくらいの粒子（金属を有する粒子）が電界により分極した木材にあたると電子のやり取りがそこにあるのか、またはあくまで電界により吸い寄せられつづけその木材に吸い付くあるいはそれに沿って落下するのか、定性的なご解答で結構ですので宜しくお願い致します。

回答No.1

LCR707 · ベストアンサー

まず、粒子が電界に吸い寄せられる現象には、２通りあると思います。
　粒子が最初から帯電していれば、粒子には F=qE の力が生じて電極に吸引されます。粒子の直径と帯電電圧が判っていれば、電気量 q は容易に計算できます。
　粒子が帯電していない場合、粒子は電界の方向に誘電率に応じた分極を生じますが、電界が一様であれば、それぞれの分極から電極への吸引力は同じ大きさなので、釣り合って力が働きません。しかし、電界に勾配がある場合、すなわち、電気力線の間隔が徐々に狭まっているような場所では、狭まる側の電界が大きいので、分極に働く２つの力にわずかな差が生じ、粒子はふらふらと狭い方向に引かれて行きます。この力の大きさについては、粒子の直径、誘電率、電界の勾配などが判れば求まるだろうと思います。

　電極に達した粒子の挙動もまた２通りあると思います。
　電極に引かれる粒子は、電極に対する面に電極と反対の電荷を持ちますが、電極に達すると粒子の電荷は直ちに中和され、さらに電極側の極性に充電されるので、こんどは反発力が生じて粒子は電極から飛び出します。
　しかし粒子の絶縁性が高いと電極に達してもなかなか中和されず、しばらく電極にくっついたままになると思われます。そして、電極と粒子の間に粘着力（分子間力）があると、中和された後もくっついたままになります。ちょうど、静電気による集塵器のような現象が生じます。
　粒子が電極から反発して飛び出すか、くっついたままになるかは、電極と粒子それぞれの物性や表面状態に大きく左右されるのではないかと思います。

　電極の前に木材がある場合、粒子が帯電していたかどうか、分極した木材と粒子の間に中和が生じるかどうか、粒子が木材に付着するかどうかで、挙動が変わると思います。
　１．帯電粒子は木材表面で中和したのち、電気を帯びて木材から離れて落下する。あるいは反対の電極に向かう。木材表面の分極が中和・帯電によって減少し、粒子への吸引力が徐々に低下する。
　２．帯電粒子は木材表面で中和したのち、木材に付着し、電極の一部のような働きをする。木材表面の分極が粒子との中和によって減少し、粒子への吸引力が徐々に低下する。
　３．帯電粒子は木材に付着するも中和せず、電荷を持ちつづける。そのため後から来る粒子の付着を阻害するので、粒子は木材表面に一定の厚さ以上は付着しない。
　４．非帯電粒子は、木材に達して電気を帯び、反発して飛び出し、反対の電極に向かう。木材の分極は徐々に減少する。
　５．非帯電粒子は、木材に達して電気を帯び、付着して木材の一部のような働きをする。木材の分極は減少しない。
　６．非帯電粒子は、木材に達しても中和せず、分極したままなので、木材にくっついたまま後から来る粒子に吸引力を及ぼす。木材の分極は減少しない。

　これらの考察がすべて合っているかどうかはわかりません。ご自分で判断して下さい。

補足

大変詳しい御回答有難う御座いました。大変勉強になりました。

木材は絶縁性に近いそうですが、それでも粉体との電荷のやり取りはあるのですね。できれば、この実験で木材と粉体との間で電荷のやり取りを少なくしたいと思います。そこで、木材以外の誘電体（絶縁体）を選ぶ上でその良し悪しを決めるパラメータは何でしょうか？単に絶縁性が強い、ではダメなのでしょうか？他のサイトでITOという物質が絶縁材料で使われていますが、これはどうでしょうか？宜しくお願い致します。

回答No.3

LCR707

木材には吸湿性があるので、静電気を溜めるほどの絶縁はちょっと期待できないと思いますが、パラフィンを含浸させれば可能かも知れません。
　絶縁材料のパラメータとしてこの場合に重要なのは、体積抵抗率及び表面抵抗率が高い事でしょう。つまり常識的に考えて、摩擦静電気を長時間帯びやすいことです。
　ちょうど、03/11/18付けの e-l さんの「絶縁体であるゴムに電界は貫かないのですか」という質問に対して、No.1のBoaderさんの回答の中で挙がっているＵＲＬに、「帯電列」の表があります。（たどるのが面倒なので、そのまま拝借して下記に入れました）。これを見ると、ガラスやナイロンは＋に、ポリエチレン、セルロイド、塩化ビニルなどは－に帯電しやすいようです。どちらのほうが良いのでしょうか？。
　負に帯電した粒子と摩擦を起こしたとき、塩化ビニルなどは容易に粒子から電子を奪って負に帯電し、粒子の電荷を中和しそうですが、逆にガラスは電子を受け取りにくいので、帯電粒子を中和しにくいように思えます。つまり、塩化ビニルは表面が負に帯電していくことによって、塩化ビニル板内の電界を強めて行き、逆に外部の電界を減少させてしまうでしょう。ガラスの場合は、負に帯電した粒子にさらに電子を与えるようなことはなかなか無いとしても、「帯電列」から見ても電子を受け取りにくいので、結局あまり中和せず、ガラスと粒子には吸引力が働きつづけるような気がします。
　しかし実を言うと、上記の考えは「帯電列」の表を見たからそんな風な傾向があるだろうと言うだけのことであって、粒子の電荷に対する定量的な比較ではありません。実際に実験したら塩化ビニルもガラスもまるで差が無いかも知れませんし、全く逆の結果が出るかも知れません。そもそも板と粒子が摩擦をするかどうかさえ怪しいのですから。
　結局のところ、手間を惜しまずいろいろ試してみることだと思います。そんな中から思わぬ発見をしないとも限りません。

　ＩＴＯと言うのは、Indium Tin Oxside のことでしょうか。これは液晶やＥＬデバイスなどに使われる透明導電薄膜なので、絶縁物ではありません。ガラスに蒸着して、透明な電極として良く使われます。

参考URL：

http://www4.ocn.ne.jp/~katonet/kagaku/taiden.htm

回答No.2

eiectron

このような有機物については総合的な結果の現れで、回答はありません。条件次第で違います。結果の記録も、自分の実験時の条件を、見逃さずに記録して、結論を出すしかありません。

　その時の基本となるのは、現在まで知られている、基本知識、を参考にするしかありません。教授と言えども同じです。その意味で、この実験に関する基本知識、を私が考え付く範囲で照会します。

　そういう意味で専門家としておきます。

　電離電圧
先ず、９０種類の原子に、電圧を加え、電子が飛び出す最低電圧（電離電圧とか、イオン化電圧という）を調べたグラフがあります。これが第一の参考。
　これによると、人体を含む動植物を有機物と言いますが、この素材原子は、水素Ｈ、酸素Ｏ、炭素Ｃ、窒素Ｎの4原子です。人体はこの4元素で９９、５％を占めるといわれています。水が６０％を占めるから、酸素と水素が如何に多いか分ります。脂肪、たんぱく質、ビタミン、糖はＣ、Ｏ、Ｈがつながったもの、食物繊維は、ブドウ糖がβ型でたくさんつながったもの。・・省略。

　木材も人体と似たりよったり。要点は有機物は基本的に電気の目からは、絶縁物。

　電気の目から見た地球上の物質を大別して、
絶縁物、半導体、電気の良導体、に分けられる事。
　絶縁物は、電圧を加えると、電子が飛び出して電離せずに、電子雲が電界方向にずれて＋－に分極して電気を誘発する意味から、誘電体とも呼ばれます。
　それに対し、原子番号の大きい金属に分類されている原子は、電子軌道の数も多いせいか、最外殻の独身電子（ペアを組んだ電子があるので、ペアを組まない電子を、私はこう呼ぶ事にしています）は、電圧（又は電界）のエネルギーや熱エネルギーによってたやすく飛び出しやすい特徴があり、これら原子が集まって塊を組むと、この独身電子達が原子から離れて塊内を自由に飛び回り、自由電子と名付けられ、電圧（電界）が加えられると、電子流となって一斉に流れます。この原子達を金属原子と呼んでいます。
　有機分子を作る、４原子は炭素がダイヤや木炭の塊を作る以外は、酸素は３個、水素が２個、窒素が２個？しか結合できず、炭素の回りに何百個もくっついて、たんぱく質や遺伝子を作っています。

　これに対し、Ｈ、Ｏ、Ｃ、Ｎ原子は、ー電子と原子核との距離が近いこともあり、金属原子より、電離電圧が高いことが事実です（グラフ省略）。勿論、金属原子の中には、電離電圧の高いものはあります。

　したがってこの４原子で出来た木材は、自由電子がなく
電圧（＝電界強度＝電気力線の密度＝又は電束密度）が加えられても、水、繊維素、脂肪、糖、たんぱく質、酵素、・・・は共有結合（説明省略）していて分解しづらく、分極はするけれども、電流にならない、ツマリ、絶縁物又は誘電体になっていいる。たとえ電離しても電子は、周りの分子のどこかに結合してしまうと考える。

　原子のもうひとつの、見方。具体例。
Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｓ、Ｐ、Ｃｌ原子は、外側の独身電子の軌道に電子を取り込む力（俗名、手、化学名、価電子）をもっていて、取り込む電子数の能力は、夫々、
　４、３、２、１、２、５、がしられている。金属原子はたやすく電子を放出して＋イオンになる。特に水の電気の力で千切られ、＋イオンになり、水の－電気部分にくっつく、この状態を、水に溶けたという。体内で栄養素がイオンになる原因の主な理由は水の電気力です。

　木材の水分の乾燥独活度合いが関係します。水溶液内で分子のイオンにしあう相性を調べたものに、イオン化傾向という傾向もあります。
　木材を誘電体とみなした他に、以上の知識で参考にしてみてください。

　もうひとつ、電子を１個取り込む力を持っている、Ｃｌ原子と電子を放出しやすい、Ｎａが接近すると、ＣｌはＮａの電子を１個取り込んで、自分はーイオンになり、Ｎａの方を＋イオンにし、－電気と＋電気が吸引しあって、塩
ＮａＣｌを作ります。これも参考にしてください。

　前回、最後に操作違いで消してしまったので、終わります。