✨ ベストアンサー ✨
3年の化学の知識はあるものとします。僕が中学の時は、静電気っていまいち何が起きてるかわからないって思ってました。せっかくなので、まずは静電気って何が起きてるのかということについて説明してみたいと思います。
すべてのものは陽子と中性子からなる原子核と、陽子と同数の電子からできているということは習ったと思います。ここで、陽子と電子それぞれ1つは、どの粒をとっても同じ電気量を持っています。たっぷり電気を持つリッチな電子とかちょびっとしか持ってない寂しい電子いうのはなくて、この宇宙上のすべての電子や陽子が同じだけの電気量(高校では電気素量といい、陽子は+e[C],電子は-e[C](eは1.6×10^-17で、Cはクーロンと読む電気量の単位))をもってます。これを最小単位として、すべての電気量はこの整数倍で表せます。
原子から、1つ電子を失ったものが1価の陽イオンであり、例えば3個ずつの陽子と電子をもつ原子が1つ電子を失い、陽子3個電子2個の状態になったのが陽イオンで、このとき、+3e+(-2e)=eでちょうど陽子1個と同じだけの電気を持っているので、+と表します。+と書かれているものは陽子ではなく陽イオンです。電子は周りを回ってるだけですが、陽子は原子核の中なのでそんなホイホイどっかに行けません。
次に、ものが帯電するとは、どういうことかを説明します。
例えば1価の陽イオン6個と電子6個をもつ物体があるとすると、+6e-6e=0[C]でこれは電気的に中性です。図には何も書かれませんが、本当は打ち消しあっているだけでたっぷり陽イオンも電子も存在します。じゃあ、陽イオン6個と電子4個をもつなら、+2e[C]だけ帯電していることになります。これも+が2個として書かれますが、電子や陽イオンはたくさんあります。
そして、最後になんで電気を帯びるのかという流れを説明します。導体というのは、自由電子と呼ばれる自由に動ける電子を持ちます。この電子が引力で移動することで、電気を帯びたりします。これを誘電分極といいます。絶縁体では、電子が紐に繋がれた犬のように原子に束縛されていてちょっとしか動けません。まあ、中学の静電気の問題では導体しか出ません。
ごめんなさい、最後から4行のとこ誘電分極ではなく静電誘導です。
まず、問題文の前提として、ストローが+なのか-なのかどっちの電気を帯びているのかわからないと解けません。(1)の説明になります。もし、+に帯電している(陽イオンの方が多い)棒を近づけたとしたら、金属円盤は、静電気的な引力(クーロン力という)で-の電気を帯びるはずです。なぜなら、引力で自由電子が引かれて上の方に集まろうとするからです。一方で、金属円盤にもともとあった陽イオンは、+に帯電しているものを近づけられて、反発します。なるべく遠くに行こうとして、はくのところへいきます。すると、2つのはくがもともと電気的に中性だったところにそれぞれ陽イオンをたくさんもつようになるので、はくどうしで反発して開きます。すると、はくは陽イオンをたくさんもつので+の電気を、金属円盤は-の電気をたくさんもつはずです。しかし、問題文には、はくは-の電気を、金属円盤は+の電気を帯びているんだと書かれていて、矛盾します。そこで、-の電気をストローが帯びているとして、同じように陽イオンが金属円盤に集まり、棒と反発してはくまで逃げた電子どうしで反発してはくが開くということになります。こう考えると条件と一致するので、(1)は-となります。ここで、注意すべきなのは、もともと何もなかったところに+とか-が表れたと思わないこと。もともと金属中にはうじゃうじゃと陽イオンや電子があったけど、同数だから書かれてないだけですね。
このあと、アクリルパイプを近づけると、金属円盤の陽イオンが陽イオンを帯びたアクリルパイプを嫌い、逃げるのでちょうどさっき説明した流れで陽イオンがはくの方に流れます。だから、開きは小さくなるはずです。
そして、(3)ですが陽イオンの目線で考えると、+を多くもつもの=アクリルパイプからはなるべく距離を離したいわけなので、はくに追い詰められた陽イオンがより遠くへ逃げようとして指を伝っていってしまいます。すると、金属には電子のみが取り残されてしまいます。これがちょうど2枚目の写真です。
しかし、このあと指とアクリルパイプを離すとどうなるかというと、さっきはアクリルパイプに会いたい！って集まった電子どうしでしたが、アクリルパイプがいなくなった今、電子どうしはただのうっとうしいやつらどうしです。なぜなら、全員が-に帯びていて、全員がそれぞれ反発してしまうからです。すると、みんなそれぞれが遠くへ行こうとするので、はくの方にも電子どうしが移動するので、はくが電子どうしとなり、反発してしまいます。だから、はくは開きます。例えるならば、アイドルのファンがアイドルを求めて集まってきたけど、アイドルがいなくなった今ただの知らない人どうしの集まりとなり、需要がないので家に帰ったってところでしょうか。ちなみにエだと、触れてもないのに移動することになってしまいます。移動するには、こすったりしてエネルギーを与えてやる必要が出てきます。
陽子って移動できないんじゃないんですか？
指を伝って地面に行くところです。
陽子は原子核に束縛されていて無理です。しかし、指を伝って移動したのは陽イオンです。陽イオンっていうのは、原子が電子を失ってできたものなので、移動することができます。
では、図の丸に囲まれたプラスとマイナスは陽イオンと陰イオンということですか?
陽イオンと電子です。電子は原子核の周りを回ってるだけなので移動し放題です。上にも書きましたがこれを自由電子とよびます。基本的に、金属は陰イオンにはなれませんし、電子を他からもらわないと陰イオンにはなれません。
なるほど。
ありがとうございます😊
問題の答えにいたる理由はわかってもらえましたか？
はい！
最後まで教えていただきありがとうございました！
次にこの問題を説明します。(長文ごめんなさい)