基本問題366 電荷を運ぶ仕事

電場中で電荷を運ぶ仕事

直感的理解
電位の高い所から低い所へ正電荷を移動させると、電場が正の仕事をします(自然な移動)。逆に低い所から高い所へ運ぶには外力が仕事をする必要があります。仕事の大きさは「電荷 $\times$ 電位差」で決まります。

電場がする仕事:

A から B へ電荷 $q$ を移動させるとき、電場がする仕事は

$$W = q(V_A - V_B)$$

外力がする仕事(ゆっくり運ぶ場合)は電場の仕事と逆符号:

$$W_{\text{ext}} = q(V_B - V_A) = -W$$

例:$q = +2.0 \times 10^{-6}$ C を $V_A = 40$ V から $V_B = 10$ V へ移動

$$W = q(V_A - V_B) = 2.0 \times 10^{-6} \times (40 - 10) = 2.0 \times 10^{-6} \times 30 = 6.0 \times 10^{-5}\;\text{J}$$

電場が $6.0 \times 10^{-5}$ J の正の仕事をする(電位エネルギーが減少)。

答え:
$$W = q(V_A - V_B) = 2.0 \times 10^{-6} \times 30 = 6.0 \times 10^{-5} \text{ J}$$
補足:電位差と仕事の符号

高電位 → 低電位へ正電荷を動かす:$W > 0$(電場が仕事をする、自然な方向)

低電位 → 高電位へ正電荷を動かす:$W < 0$(外力が必要)

負電荷の場合は逆になります。

Point

電場がする仕事 $W = q(V_A - V_B)$ = $q \Delta V$。仕事は経路によらず、始点と終点の電位差のみで決まる(保存力)。