V、Q、距離を求める電位計算機
点電荷の静電気について、クーロンの法則 V = kQ/r から電位、電荷、距離を計算します。
求めたい変数を選び、残りの 2 つの値を入力すると、計算機が電位の式をすぐに変形して答えを出します。
V、Q、距離を求める電位計算機
点電荷の静電気について、クーロンの法則 V = kQ/r から電位、電荷、距離を計算します。
電荷と距離から電位を求めます。
電位計算機について
電位は、力を中心にした問題を単位電荷あたりのエネルギーの問題へ置き換えられるため、静電気学で最も役立つ量の一つです。点電荷の場合、距離 r における電位は V = kQ / r で表されます。ここで k はクーロン定数、Q はクーロン単位の源電荷です。この計算機では、この式を 3 つの方向すべてで解けます。電荷が作る電位を求めることも、目標の電位を作るために必要な電荷を求めることも、既知の電位と電荷に対応する距離を求めることもできます。
電位はボルトで測定され、ボルトは 1 クーロンあたりのジュールです。そのため、エネルギー、仕事、電圧差と密接につながっています。実際には、正の電荷は正の電位を、負の電荷は負の電位を作ります。式が 1/r に依存するため、電位は距離の逆数に比例して減少し、逆二乗では減少しません。これにより、電場が急激に変化する場合でも、空間内の異なる点を比較するうえで電位は扱いやすい量になります。
物理の授業や工学的な概算では、この式を変形することがよくあります。電位と距離がわかっていれば、Q = Vr / k から源電荷を推定できます。電位と源電荷がわかっていれば、r = kQ / V から、その電位が点電荷からどの距離で生じるかを求められます。計算機がこれらの変形を直接処理するため、代数ミスや科学表記の入力ミスを心配する必要がありません。
この点電荷の式は、入門問題、実験での近似、すばやい確認に適しています。標準のクーロン定数がよい近似となる真空または空気中で最もよく機能します。誘電体、非一様な電場、広がりを持つ電荷分布を扱う場合は、実効的な誘電率や幾何形状によって関係が変わります。そのような場合でも点電荷モデルは直感を与えますが、より詳細な場の解が必要になることがあります。
こうした制約があっても、電位は静電気、コンデンサー解析、粒子運動、場の可視化における中心的な概念です。条件を比較したり、符号の意味を解釈したり、より完全な設計や導出に進む前に手計算を確認したりする際に、高速な計算機は役立ちます。
電位の例
これらの例は、V = kQ/r を変形する主な 3 つの方法を示しています。
| 入力 | 出力 | 解釈 |
|---|---|---|
| モード:電位を求める;Q = 2 × 10^-9 C、r = 0.25 m | V = 71.900414 V | ナノクーロン程度の小さな電荷でも、近くではかなり大きな電位を作ることがあります。 |
| モード:電荷を求める;V = 90 V、r = 0.5 m | Q = 5.006926e-9 C | 変形した式から、0.5 m の距離で 90 ボルトを作るには数ナノクーロンだけで足りることがわかります。 |
| モード:距離を求める;V = 17.975104 V、Q = 1 × 10^-9 C | r = 0.5 m | 源電荷が一定なら、電位が低くなるほど距離は大きくなります。 |
電位計算機の使い方
- 電位、電荷、距離のどれを求めるか選びます。
- 選択したモードに合う 2 つの既知量を、ボルト、クーロン、メートルの単位で入力します。
- 「計算」をクリックして、求めた値と使用した変形式を確認します。
- 「リセット」で入力欄を消去し、新しい点電荷の条件を始めます。
電位計算機 FAQ
電位は何を測る量ですか?
電位は、電場内のある位置における単位電荷あたりの位置エネルギーを表します。そのため、クーロンあたりのジュールに相当するボルトで表されます。
なぜ分母は r² ではなく r なのですか?
電位は電場の積分に関係するため、点電荷では距離への依存が電場そのものより 1 つ低い次数になります。そのため、電位は 1/r で変化し、電場は 1/r² で変化します。
電位は負になりますか?
はい。無限遠をゼロ基準にすると、負の源電荷は負の電位を作ります。結果の符号には意味があり、正の試験電荷の位置エネルギー変化の方向を示します。
r を求めるとき、なぜ距離が無効になることがあるのですか?
物理的な点電荷の問題では、距離は正でなければなりません。電荷と電位の符号から負の距離が導かれる場合、または電位がゼロの場合、入力値はこの単純な式と整合しません。
この式は材料の内部でも使えますか?
ここで示す標準のクーロン定数を使う場合、真空または空気中で最も正確です。誘電率が異なる材料では、定数を置き換えるか、より詳細な静電気モデルを使う必要があります。