応用問題393 平行板コンデンサーの電場

設問(1)(2) 電場と電位差

直感的理解
平行板コンデンサーの電場は極板間で一様です。ガウスの法則を適用すると、$E$ は電荷密度 $\sigma$ だけで決まり、極板間距離 $d$ には依存しないことがわかります。$d$ を変えると変わるのは電位差 $V = Ed$ です。

ガウスの法則:極板に垂直に筒型のガウス面(断面積 $S$)を取ると、筒の側面を貫く電気力線はゼロ(電場は面に平行)。内部の電荷は $\sigma S$ なので:

$$ES = \frac{\sigma S}{\varepsilon_0} \quad \Rightarrow \quad E = \frac{\sigma}{\varepsilon_0}$$

電位差:一様電場中の電位差は $V = Ed$ なので:

$$V = Ed = \frac{\sigma d}{\varepsilon_0}$$

数値例:$\sigma = 4.0 \times 10^{-6}$ C/m$^2$、$d = 2.0 \times 10^{-3}$ m のとき:

$$E = \frac{4.0 \times 10^{-6}}{8.85 \times 10^{-12}} = 4.5 \times 10^{5} \text{ V/m}$$ $$V = 4.5 \times 10^{5} \times 2.0 \times 10^{-3} = 9.0 \times 10^{2} \text{ V}$$
答え:
$$E = \frac{\sigma}{\varepsilon_0} = \frac{V}{d}$$
Point

平行板コンデンサーの電場 $E = \sigma/\varepsilon_0$ は極板間距離に依存しない。$V = Ed$ より距離を変えると $V$ が変わる。

設問(3) 荷電粒子の運動

直感的理解
極板間に水平に入射した荷電粒子は、水平方向は等速、鉛直方向は電場による等加速度運動。斜め投げと全く同じ放物線軌道を描きます。重力の代わりに $qE/m$ の加速度がかかります。

質量 $m$、電荷 $q$ の粒子を速さ $v_0$ で水平に入射すると:

水平方向(等速直線運動):

$$x = v_0 t$$

鉛直方向(電場による等加速度運動):加速度 $a = qE/m$ で

$$y = \frac{1}{2}at^2 = \frac{qE}{2m}t^2$$

$t = x/v_0$ を代入して $t$ を消去すると放物線の式が得られます:

$$y = \frac{qE}{2mv_0^2}x^2$$

数値計算:$m = 9.1 \times 10^{-31}$ kg(電子)、$q = 1.6 \times 10^{-19}$ C、$E = 5.0 \times 10^{3}$ V/m、$v_0 = 2.0 \times 10^{7}$ m/s、極板の長さ $L = 4.0 \times 10^{-2}$ m のとき:

加速度:

$$a = \frac{qE}{m} = \frac{1.6 \times 10^{-19} \times 5.0 \times 10^{3}}{9.1 \times 10^{-31}} = 8.8 \times 10^{14} \text{ m/s}^2$$

極板通過時間:

$$T = \frac{L}{v_0} = \frac{4.0 \times 10^{-2}}{2.0 \times 10^{7}} = 2.0 \times 10^{-9} \text{ s}$$

偏向量(鉛直方向の変位):

$$y_L = \frac{1}{2}aT^2 = \frac{1}{2} \times 8.8 \times 10^{14} \times (2.0 \times 10^{-9})^2 = 1.8 \times 10^{-3} \text{ m} = 1.8 \text{ mm}$$

出射角:

$$\tan\theta = \frac{v_y}{v_0} = \frac{aT}{v_0} = \frac{8.8 \times 10^{14} \times 2.0 \times 10^{-9}}{2.0 \times 10^{7}} = 0.088$$ $$\theta = \arctan(0.088) \fallingdotseq 5.0°$$
答え:
$$y = \frac{qE}{2mv_0^2}x^2$$ 放物線軌道。加速度 $a = qE/m$。
補足:偏向量の一般公式

極板の長さを $L$ とすると、通過時間 $T = L/v_0$、偏向量は:

$$y_L = \frac{qEL^2}{2mv_0^2}$$

出射角 $\theta$:

$$\tan\theta = \frac{v_y}{v_x} = \frac{qEL}{mv_0^2}$$

この式から、偏向量は $E$ に比例し $v_0^2$ に反比例することがわかります。入射速度を大きくすると偏向が小さくなるのは、極板間の通過時間が短くなるためです。

Point

一様電場中の荷電粒子 = 重力場中の放物運動と等価。$g$ の代わりに $qE/m$。水平投射・斜め投射の公式がそのまま使える。