寒い時期には注意!静電気はなぜ発生するのか?

2019年3月18日身の回りの科学

子供のころに、よく下敷きで頭をこすって、髪の毛を立たせたと思います。

いやいや、大人になった今でもやっちゃいますか!

ではなぜ、頭を下敷きで擦ると髪の毛がたつのでしょうか?

それはご存知の通り『静電気』が発生するからですよね!
 
また、冬になって乾燥してくると、扉のノブに触れたり、握手をした時にばちっと痛い思いをするのも静電気のせいです。

一度経験すると扉のノブに触れるのに慎重になりますよね。

まぁ、すぐに忘れてまたいたってなるんですけど、、、、

さらに言うと、実は雷も大きな静電気なのです。

身の回りにはこのように静電気が潜みまくっているわけなんですね。

雷のようにスケールの大きなものや、髪の毛立たせるちっさいものまである静電気ですが、いっていどのようにして電気が流れているのでしょうか?

今回は静電気が起こる仕組みを説明していきたいと思います。

それを説明するためにも今回はまず、そもそも電気とはなにか?を説明していくことにします。

1.電気ってなに?

静電気を知るためには電気について知らなければいけません。

私たちの身の回りの家電を動かしたり、照明をつけるのに欠かせない電気とは一体なんなのでしょうか?

電気を一言で説明すると、『自由電子』の動きです。

はい?

自由電子ってなに?

と思われるかもしれません。

では、詳しく説明していくことにします。

原子の中心には原子核があり、その原子核の周りには電子が回っています。

このように地球の周りを月が回っているように電子は原子核の周りをまわっています。

この回っている電子はマイナスの電気を帯びているのです。

また、このように原子核は中性子と陽子で構成されており、陽子はプラスの電気を帯びているのです。

つまり、原子はマイナスとプラスの両方を持っています。

さらに、このマイナスの電気を帯びている電子は、回っている軌道から何らかの拍子に離れてしまう場合があります。

そして、この離れた電子こそが自由電子なのです。

電気とはこの軌道から外れた電子、自由電気の動きを言っているということですね。

2.導体と絶縁体

電気には流れやすいものと流れにくいものがあると思います。

では、流れやすい、流れにくいとはどういうことなのでしょうか?

先ほど電気は自由電子の動きと言いました。

つまり、電気の流れやすさは、電子の動きやすさにあります。

電気の流れやすいものを『導体』、電気の流れにくいものを『絶縁体』と呼んでいます。

では、導体に電気を流してみましょう。

電気が流れるとは自由電子が流れてくるということ、自由電子がやってくると、導体を構成している原子のもっている電子を押し出します。

どんどん押し出しては押し出されるを繰り返すことで電子の流れができます。

つまりこれが、電気が流れるということです。

もう少し、かみ砕いて説明してみます。

導体も物質なので、原子が沢山集まってできてますよね?

電子を当ブログメインキャラクターの『りかがめくん』とします。

出口と入り口がある満員のBOXにもう1匹のりかがめくんが突入していくとどうなりますか?

このようにBOXにはもう人が入れないんですよ!

どんどん押されて出口から1匹飛びでてくることになりますよね?

イメージとしてはこういうことです。

また、絶縁体は電気を流さない、つまり、絶縁体は電子が押しのけられにくいのです。

電子が原子核と強く結びついており、自由電子を持っていないのでこのようなことが起こります。

では、いよいよ静電気について説明していきましょう。

3.静電気

では、静電気はどのようにして起こるのでしょうか?

下敷きで髪の毛をこすると静電気が発生するのは、皆様ご存知だと思います。

このように物質同士が擦れ合うことことで、静電気は発生するのです。

では、具体的に物質には何が起こっているのでしょうか?

物質はもちろん原子の集まりです。

原子は先ほど、マイナスとプラスを持つといいまいした。

このマイナスの電子が、こすり合わせることで、もう一方の方に移動してしまうのです。

するとどうなるでしょうか?

片方はマイナスが多くなって、片方はマイナスがなくなったので、結果的にはプラスの方が多くなりますよね?

つまり、片方はマイナスに帯電し、もう片方はプラスに帯電することになるのです。

プラスとマイナスは引かれ合うので、このように髪の毛は下敷きに引かれていき、髪の毛が立ちます。

ちなみにマイナス同士に帯電すると、反発するので、ビニールを浮かす実験などができます。

さらに、物質にはプラスに帯電しやすいものとマイナスに帯電しやすいものが存在し、両極端の者同士がこすれる方が、静電気は発生しやすくなるのです。

4.静電気でばちっ

握手をしたり、ドアノブを触ってばちっと来るのは、この静電気が原因なのです。

服でこすれたりすることで、体に電子が帯電します。

本来、くっつかないと自由電子の受け渡しはできないのですが、電子がたくさん帯電していると、空気中を打ち破って自由電子が放出されます。

この帯電していたマイナス電子が一気に放出されることで、あのように火花を散らし、ばちっとなるのです。

これは『絶縁破壊』と呼ばれています。

冬になると静電気が起きやすいのは、空気が乾燥しているからです。

夏場のように湿度が高く、空気中に水分子が多いと、自由電子は逃げていきやすくなるので起きにくくなります。

もし、電子が帯電しても空気中に放出されていくのです。

ただ、純粋な水が電気を通しやすいわけではないので、気をつけてください。

これはまた今度記事として書こうと思います。

静電気除去シートはこの自由電子の受け渡しを一気にではなく、ゆっくりにしてくれるので、ばちっとは来ないということです。

このような絶縁破壊は自然でも起こっています!

それこそが『雷』です。

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5.雷

一番初めに雷は静電気といいました。

では、どのようにして雷は発生するのでしょうか?

上空は気圧が低く、非常に低温であるため、雲の水分は氷の結晶となります。

この氷の結晶同士がぶつかり合い、擦れ合うことで、静電気が発生するのです。

雲はどんどんマイナスに帯電していき、ある一定の大きさになると絶縁破壊が起きます。

地上のプラスへむけて、帯電していた自由電子が放出されるのです。

手と手や、手とノブの距離の比じゃないくらいの空気を打ち破ることになります。

激しく火花と光が伴い、大きな音と共にあのような雷を生み出すのです。

自然ってすごいですよね。

6.さいごに

電気が自由電子の流れだということがわかれば、もっと他のことも見えてくるかもしれません。

例えば、ソーラーパネルなんかも正直なんで太陽光が電気にかわるのか?疑問に思って仕方ないと思います。

簡単に言えば太陽光に当たった物質(金属)はわずかですが、電子を放出するのです。

これをキャッチして、電気に変えてるわけですね。

他にも何故、豆電球が光るのだとか、電気にまつわるものの見方が変わってきたのではないでしょうか?

この世の中は意外と知らないことで溢れているはずです。

身近なところにもたくさんの謎が隠れているので、皆さんも見つけてみて下さい。

それこそが面白いのです。

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