電磁気学
電位と電圧
平行板間の一様電場を調べ、 を測定し、試験電荷の位置エネルギー が位置とともにどう変わるかを追跡します。
器具
- +V と 0 V の電位差を保つ仮想の平行板
- 「電位差」「板間隔」「試験電荷」のスライダー
- エネルギーグラフ上の「電荷の位置」スライダー
- 等電位面と電場ベクトルを表示し、E の読み出しを伴う3Dキャンバス
手順
平行板間の電場の強さを測る
図1で「電位差」を50 Vに設定し、「板間隔」を0.30 mから1.00 mまで動かします。読み出し行「E = |ΔV|/d = …」を読み、二つの間隔で E を記録します。 を確認し、等電位面が平行で電場ベクトルに垂直であることを観察します。キャンバスをドラッグして視点を回します。
位置による位置エネルギーの変化を追う
図2で「電荷の位置」を0%から100%まで動かし、「U = qV = …」を読みます。U(x) のグラフは正の板から0 Vの板へ直線的に下がります。「試験電荷」を2 nCから5 nCに変えて比較します。位置エネルギーは で電荷に比例しますが、V(x) は電場だけで決まるので変わりません。
電場の向きを確認して予測する
電場の矢印が +V の板から 0 V の板へ向かうことを確認します。自由な正電荷はこの向きに動き、位置エネルギーを失って運動エネルギーを得ます。「電位差」を100 Vに変える前に、現在の間隔での E を予測し、読み出しと比べます。予測を と照らします。
シミュレーション
実験の歴史
1780年頃、ルイージ・ガルヴァーニは異なる二種類の金属に触れた蛙の脚が痙攣するのを観察しました。アレッサンドロ・ヴォルタは、これは動物組織ではなく二つの金属に起因すると考え、1800年に食塩水を浸した布で隔てた亜鉛と銅の円板を積み重ねた電池——持続的な電位差を初めて維持した電源——を発表しました。電圧の単位ボルトは後に彼の名にちなんで付けられています。電位という概念は、電荷とは独立にエネルギーを記述しようとする19世紀の物理学者たちによって洗練されていきました。
ファラデーは『電気実験研究』で荷電体の周囲の電場と力線を記述し、電場が高電位から低電位へ向かうことを指摘しました。これは平行板間の一様電場についての関係式 の原型です。マクスウェルはこれらの観察を『電気磁気論』（1873年）で数学的に定式化し、電位と電場を同一の静電系の二つの同等な記述にしました。