冬の乾いた日、セーターを脱ごうとするとパチパチと音がして、暗がりでは小さな光さえ見えます。
ドアノブに触れた瞬間、指先にピリッとした痛みが走る ── これらはすべて「静電気」の仕業です。
古代ギリシャの人々は、琥珀（こはく）を布でこすると羽毛を引きつけることに気づいていました。
英語で電気を意味する "electricity" は、琥珀のギリシャ語 "elektron" に由来します。
この記事では、電荷とは何か、なぜ物体が帯電するのかを原子の構造から理解し、電気の世界への第一歩を踏み出しましょう。
すべての物質は原子からできています。 原子は、中心にある原子核（陽子と中性子の集まり）と、そのまわりを回る電子で構成されています。 このうち、電気的な性質をもっているのが陽子と電子です。
陽子は正の電荷（$+$）を、電子は負の電荷（$-$）をもっています。 ふだんの物質では、陽子の数と電子の数がぴったり等しいため、全体として電気的に中性（プラスマイナスゼロ）です。 「電荷をもたない」のではなく、「正と負が打ち消し合っている」のだということを押さえておきましょう。
陽子は原子核の中にしっかり閉じ込められていますが、電子は比較的自由に動き回ることができます。 物体が電気を帯びる（帯電する）とき、実際に移動しているのは電子です。 物体から電子が離れると正に帯電し、電子が余分にやってくると負に帯電します。
たとえるなら、シーソーのバランスです。 左右に同じ重さの人が座っていれば水平（中性）ですが、片方の人が降りると傾く（帯電する）のと同じイメージです。 電荷のバランスが崩れたとき、物体は「帯電した」状態になります。
物体が帯電するとは、電子の数が陽子の数からずれた状態のことです。 電子が足りなければ正に帯電し、電子が余れば負に帯電します。
「正の電荷が移動する」のではなく、電子（負の電荷）が移動することで帯電が起こるという点を常に意識してください。 正の帯電は「電子が去った結果」にすぎません。
固体どうしの摩擦帯電で移動するのは電子です。陽子は原子核の中にあり、通常は移動しません。
✕ 誤：「ガラス棒をこすると正の電荷が布からガラスに移る」
○ 正：「ガラス棒をこすると電子がガラスから布に移り、ガラスは正に帯電する」
物体が帯電する方法には、いくつかの代表的なものがあります。 いずれも本質は「電子の移動」ですが、そのきっかけが異なります。
2種類の物質をこすり合わせると、一方の物質から他方へ電子が移動します。 これが摩擦帯電です。 冬にセーターを脱ぐときのパチパチや、下敷きで髪をこすると髪が逆立つ現象がその例です。
どちらが正に帯電し、どちらが負に帯電するかは、物質の組み合わせで決まります。 電子を引きつけやすい順番に物質を並べたものを帯電列といいます。
| 正に帯電しやすい（$+$） | → 電子を放しやすい順 → | 負に帯電しやすい（$-$） |
|---|---|---|
| ガラス、ナイロン、羊毛 | 綿、絹 | ゴム、ポリエステル、塩化ビニル |
帯電列で離れた位置にある物質どうしをこすり合わせるほど、大きく帯電します。
帯電した物体を帯電していない物体に触れさせると、電子が移動して両方とも帯電します。 これを接触帯電といいます。 帯電した風船を壁に近づけると壁に張りつく現象は、接触帯電と後述の静電誘導が関わっています。
帯電した物体を触れずに近づけるだけでも、金属などの導体では電荷の偏りが生じます。 これを静電誘導といいます。
たとえば、負に帯電した棒を金属球に近づけると、金属中の自由電子が反発して棒と反対側に追いやられます。 その結果、棒に近い側は正に、遠い側は負に帯電します。 これは、電荷が実際に物体間を移動したのではなく、物体内部で電荷が偏っただけであることに注意してください。
摩擦帯電：こすることで電子が物体間を移動する。電子を受け取った側が負に帯電。
接触帯電：触れることで電子が移動する。帯電状態を「共有」する。
静電誘導：近づけるだけで導体内部の電子が偏る。電子は物体間を移動しない。
静電誘導では、導体の片側が正、反対側が負に帯電するだけで、物体全体としては電気的に中性のままです。
✕ 誤：「負の棒を近づけると金属球全体が正に帯電する」
○ 正：「負の棒に近い側が正、遠い側が負に帯電する。全体の電荷の合計はゼロ」
ただし、静電誘導が起きた状態で導体をアースする（接地する）と、偏った電荷の一部が逃げて、全体として帯電させることができます。
静電誘導は、電子が自由に動ける導体（金属など）で起こる現象です。
✕ 誤：「プラスチックの棒に帯電体を近づけると静電誘導が起こる」
○ 正：「プラスチックは絶縁体なので自由電子がなく、静電誘導は起こらない。ただし分子レベルの微小な偏り（誘電分極）は起こりうる」
箔検電器は、静電誘導を利用して物体の帯電を調べる装置です。 金属板に帯電体を近づけると、静電誘導によって金属箔にまで同種の電荷が追いやられ、箔どうしが反発して開きます。
箔の開き具合を見ることで、帯電の有無や大まかな電荷の大きさを判断できます。 帯電体の正負を見分けるには、まず箔検電器をあらかじめ帯電させておき、箔の開きが大きくなるか小さくなるかを観察します。
帯電の現象を理解するうえで、もう一つ非常に重要な法則があります。 それは電荷の保存則です。
ガラス棒を絹でこすると、ガラスは正に、絹は負に帯電します。 このとき、ガラスが失った電子の量と絹が得た電子の量は完全に等しいのです。 つまり、正の電荷と負の電荷の合計は、帯電の前後で変わりません。
電荷は「新たに作られる」のでも「消える」のでもなく、ある場所から別の場所へ移動するだけです。 これは自然界の基本法則の一つであり、あらゆる電気現象でこの法則が成り立っています。
$$(\text{系全体の電荷の総和}) = \text{一定}$$
電荷は連続的にどんな値でも取れるわけではありません。 すべての電荷は、ある最小単位の整数倍になっています。 この最小単位を電気素量（でんきそりょう）といい、記号 $e$ で表します。
$$e = 1.6 \times 10^{-19}\,\text{C}$$
$1\,\text{C}$ がどのくらい大きな電荷かというと、電子の数にして約 $6.25 \times 10^{18}$ 個分です。 実に62億5000万の10億倍という途方もない数の電子が集まって、ようやく $1\,\text{C}$ になるのです。 日常で私たちが感じる静電気は、およそ $\text{nC}$（ナノクーロン = $10^{-9}\,\text{C}$）程度のごくわずかな電荷です。
電荷は水のように連続的に増減するのではなく、電子1個分 $e = 1.6 \times 10^{-19}\,\text{C}$ を最小単位として、その整数倍でしか現れません。
ある物体の電荷 $Q$ は必ず $Q = ne$（$n$ は整数）と表せます。 これを電荷の量子化といいます。ただし、マクロなスケールでは $e$ が非常に小さいため、電荷を連続量として扱っても差し支えありません。
$e = 1.6 \times 10^{-19}\,\text{C}$ は電気素量の大きさです。電子の電荷は $-e = -1.6 \times 10^{-19}\,\text{C}$ と負の符号がつきます。
✕ 誤：「電子1個の電荷は $1.6 \times 10^{-19}\,\text{C}$」
○ 正：「電子1個の電荷は $-1.6 \times 10^{-19}\,\text{C}$」（電気素量の大きさは $e = 1.6 \times 10^{-19}\,\text{C}$）
帯電した物体どうしの間には力がはたらきます。 同じ種類の電荷（正と正、または負と負）どうしは反発（斥力）し、異なる種類の電荷（正と負）どうしは引き合い（引力）ます。
このことは磁石のN極とS極の関係に似ていますが、電荷と磁極はまったく別の性質です。 帯電した物体間にはたらく力を静電気力（クーロン力）といいます。
フランスの物理学者シャルル・ド・クーロンは、帯電した物体間にはたらく力について次の法則を発見しました。
$$F = k\frac{q_1 q_2}{r^2}$$
この式から読み取れる重要なポイントは2つあります。
この「距離の2乗に反比例」という関係は、万有引力の法則 $F = G\frac{m_1 m_2}{r^2}$ とまったく同じ形です。 質量の代わりに電荷が入っただけの、美しい対応関係になっています。
$q_1$ と $q_2$ の符号が同じ場合（同種電荷）：$q_1 q_2 > 0$ なので $F > 0$（斥力）
$q_1$ と $q_2$ の符号が異なる場合（異種電荷）：$q_1 q_2 < 0$ なので $F < 0$（引力）
物理基礎の問題では、$F$ の値として大きさだけを求め、力の向き（引力か斥力か）は電荷の正負から判断するのが一般的です。
クーロンの法則と万有引力の法則は同じ「逆二乗則」の形をしています。しかし、決定的な違いがあります。
万有引力は常に引力（質量は正のみ）ですが、静電気力は引力にも斥力にもなります（電荷は正にも負にもなる）。 また、静電気力は万有引力に比べて桁違いに強い力です。 電子と陽子の間のクーロン力は、万有引力の約 $10^{39}$ 倍もあります。
静電気力は万有引力よりずっと強いのに、なぜ私たちの日常生活では重力のほうが目立つのでしょうか。 それは、日常の物体がほぼ完全に電気的に中性だからです。
正の電荷と負の電荷がほぼ完全に打ち消し合っているため、巨大な静電気力はほとんど相殺されています。 一方、質量は正の値しかないため、重力は決して打ち消されません。 地球ほどの巨大な質量が集まると、非常に弱い万有引力でも大きな力として感じられるのです。
静電気と帯電の知識は、電気回路の理解に直結する基礎です。 ここで学んだ電荷の概念が、今後どのように発展するかを確認しましょう。
Q1. 物体が正に帯電しているとき、電子と陽子の数の関係はどうなっていますか。
Q2. 摩擦帯電において、実際に物体間を移動するのは何ですか。
Q3. 電気素量 $e$ の値を書いてください。また、電子1個の電荷はいくらですか。
Q4. 静電誘導が起きた導体全体の電荷の合計はいくらですか。
Q5. クーロンの法則で、2つの電荷間の距離を3倍にすると、静電気力は何倍になりますか。
この記事で学んだ内容を、入試形式の問題で確認しましょう。
ガラス棒を絹の布でこすったところ、ガラス棒は正に帯電した。次の問いに答えよ。
(1) このとき、ガラス棒と絹の布の間で移動したのは何か。また、どちらからどちらへ移動したか。
(2) 絹の布は正・負のどちらに帯電したか。理由とともに答えよ。
(1) 電子が、ガラス棒から絹の布へ移動した。
(2) 負に帯電した。
方針：摩擦帯電で移動するのは電子であることと、電荷保存則を使う。
(1) ガラス棒が正に帯電したということは、ガラス棒から電子が失われたことを意味します。その電子は絹の布に移動しました。
(2) 電荷保存則より、ガラス棒が失った電子を絹の布が受け取ったので、絹の布は負に帯電します。正の電荷と負の電荷の総量は変化しません。
電気的に中性な金属球に、負に帯電したエボナイト棒を近づけた（触れさせてはいない）。次の問いに答えよ。
(1) 金属球のエボナイト棒に近い側と遠い側は、それぞれ正・負のどちらに帯電するか。理由とともに答えよ。
(2) この状態で金属球をアース（接地）し、その後アースを外してからエボナイト棒を遠ざけた。金属球は正・負のどちらに帯電しているか。理由を説明せよ。
(1) エボナイト棒に近い側は正、遠い側は負に帯電する。
(2) 正に帯電している。
方針：静電誘導の原理と、アースによる電荷の流出を順を追って考える。
(1) 負に帯電したエボナイト棒を近づけると、金属球中の自由電子がクーロン力（斥力）によって遠い側に追いやられます。その結果、近い側は電子不足で正に、遠い側は電子過多で負に帯電します。
(2) アースすると、遠い側に集まっていた余分な電子が地面に逃げます。アースを外すと、逃げた電子は戻れません。この状態でエボナイト棒を遠ざけると、引きつけられていた正電荷の偏りがなくなり、金属球全体に均等に分布します。電子が不足しているので、全体として正に帯電しています。
クーロン定数を $k = 9.0 \times 10^9\,\text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$ として、次の問いに答えよ。
(1) $+3.0 \times 10^{-6}\,\text{C}$ と $-2.0 \times 10^{-6}\,\text{C}$ の2つの点電荷が $0.30\,\text{m}$ 離れて置かれている。2つの電荷間にはたらく静電気力の大きさと、引力・斥力の別を答えよ。
(2) (1)の2つの電荷を接触させた後、再び $0.30\,\text{m}$ 離した。このときの静電気力の大きさを求めよ。
(1) $0.60\,\text{N}$、引力
(2) $2.5 \times 10^{-2}\,\text{N}$
方針：(1) はクーロンの法則に直接代入する。(2) は接触後の電荷の再配分を電荷保存則で求めてから適用する。
(1) $F = k\dfrac{|q_1 q_2|}{r^2} = 9.0 \times 10^9 \times \dfrac{3.0 \times 10^{-6} \times 2.0 \times 10^{-6}}{(0.30)^2}$
$= 9.0 \times 10^9 \times \dfrac{6.0 \times 10^{-12}}{9.0 \times 10^{-2}} = 9.0 \times 10^9 \times 6.67 \times 10^{-11} = 0.60\,\text{N}$
異符号の電荷なので、引力です。
(2) 2つの同じ形状の導体球を接触させると、電荷は均等に分配されます。
電荷の合計 $= +3.0 \times 10^{-6} + (-2.0 \times 10^{-6}) = +1.0 \times 10^{-6}\,\text{C}$
接触後のそれぞれの電荷 $= \dfrac{+1.0 \times 10^{-6}}{2} = +0.50 \times 10^{-6}\,\text{C}$
$F = 9.0 \times 10^9 \times \dfrac{(0.50 \times 10^{-6})^2}{(0.30)^2} = 9.0 \times 10^9 \times \dfrac{2.5 \times 10^{-13}}{9.0 \times 10^{-2}} = 2.5 \times 10^{-2}\,\text{N}$