【電験三種・理論】電界と電位｜電界の強さE=F/qと電位Vを完全理解

📘 電界と電位、こんな悩みありませんか?

💡「電界って何？目に見えないものをどうやって理解すればいいの…」

💡「電位と電圧って何が違うの？混乱してしまう…」

💡「E=F/qの公式は覚えたけど、実際に何を表しているのか分からない…」

✅ この記事で、すべてスッキリ解決します!

この記事では、「電界」と「電位」という目に見えない概念を、「風」や「山の高さ」など身近な例え話を使って徹底的に解説します。
初心者の方でも、直感的に理解できるように設計しています。

🌬️ 風の例え

想像してください。強い風が吹いている場所に立ったとき、あなたは風に押される力を感じますよね？

・風が強い場所 → 大きな力で押される

・風が弱い場所 → 小さな力しか感じない

・風がない場所 → 力を感じない

🎯 電界の本質

✅ 電界がある = その空間に電荷を置くと力が働く

✅ 電界が強い = 電荷が受ける力が大きい

✅ 電界が弱い = 電荷が受ける力が小さい

⚡ 電界の強さの公式

E = F / q

💡 公式の意味

電界の強さE = 「1クーロンの電荷が、その場所で受ける力の大きさ」

たとえば、E = 100 N/C なら…
→ 1Cの電荷を置いたら、100Nの力を受ける場所、という意味です。

📌 電界の向きのルール

覚え方：「正（+）から出て、負（−）に入る」と覚えましょう!

📚 計算例題

問題：ある場所に、5×10⁻⁶ C（0.000005クーロン）の試験電荷を置いたところ、10Nの力を受けました。この場所の電界の強さはいくらでしょうか？

【解答】

与えられた条件：

・試験電荷 q = 5×10⁻⁶ C

・受けた力 F = 10 N

公式に代入：

E = F / q = 10 / (5×10⁻⁶) = 2×10⁶ N/C

答え：この場所の電界の強さは 2×10⁶ N/C（= 2,000,000 N/C）です。
これは非常に強い電界で、1Cの電荷を置いたら200万ニュートンもの力を受けることを意味します。

🏔️ 山の高さの例え

・山頂（標高1000m） → 位置エネルギーが大きい

・中腹（標高500m） → 位置エネルギーは中くらい

・麓（標高0m） → 位置エネルギーはゼロ

山頂にいるボールは、転がり落ちる「ポテンシャル（可能性）」を持っていますよね？
これが位置エネルギーです。

🎯 電位の本質

✅ 電位が高い = 電荷の持つエネルギーが大きい（山頂のボール）

✅ 電位が低い = 電荷の持つエネルギーが小さい（麓のボール）

✅ 電位差がある = エネルギーの高低差がある（高さの差）

⚡ 電位の公式

V = W / q

💡 公式の意味

電位V = 「1クーロンの電荷を、その場所まで運ぶのに必要なエネルギー」

たとえば、V = 100V なら…
→ 1Cの電荷をその場所まで持ってくるのに、100ジュールのエネルギーが必要、という意味です。

💦 水の流れの例え

山の頂上（高い場所）にある水は、低い場所に向かって流れ落ちますよね？

これは、「高さの差」があるからです。

・高さの差が大きい → 水は勢いよく流れる

・高さの差が小さい → 水はゆっくり流れる

・高さの差がゼロ → 水は流れない

🔌 電位差の重要ポイント

✅ 電位差 = 電圧（V） と同じ意味です

✅ 電位差があるから、電流が流れる

✅ A地点とB地点の電位差 = V_A − V_B

🗺️ 等高線の例え

地図を見ると、「同じ高さの点を結んだ線」である等高線が描かれていますよね？

・等高線上を歩く → 高さは変わらない（=上り下りしない）

・等高線を横切る → 高さが変わる（=上ったり下ったりする）

📌 等電位面の重要な性質

✅ 等電位面上では、電位が一定（高さが同じ）

✅ 等電位面上を移動しても、仕事は不要（エネルギーを使わない）

✅ 電気力線（電界の向き）と等電位面は、必ず直交する（90度で交わる）

💡 覚え方：「等高線と坂道が直角に交わる」のと同じイメージです!

🏔️ 山の高さと坂の急さ

・山の高さ = 電位V（エネルギーの高さ）

・坂の急さ = 電界E（力の強さ）

急な坂では、ボールは強い力で転がり落ちます。
なだらかな坂では、ボールはゆっくり転がります。

⚡ 電界と電位の関係式

E = −dV/dx

※ これは微分の式ですが、試験では簡単な形で出題されます

平行平板コンデンサの場合（電界が一様）：

E = V / d

E：電界の強さ [V/m]
V：電位差（電圧）[V]
d：距離 [m]

📚 計算例題

問題：2枚の平行な金属板があり、間隔は5cm（0.05m）です。2枚の板の間に500Vの電圧をかけたとき、板の間の電界の強さはいくらでしょうか？

【解答】

与えられた条件：

・電位差（電圧） V = 500 V

・距離 d = 0.05 m

公式に代入：

E = V / d = 500 / 0.05 = 10,000 V/m

答え：板の間の電界の強さは 10,000 V/m（= 10 kV/m）です。
これは、1メートルあたり10,000ボルトの電位差がある、という意味です。

🎯 電界と電位の違い｜まとめ

❌ ミス①：電位と電圧を混同する

間違い：「電位」と「電圧」は同じもの
→ 正解：電圧は「2点間の電位差」です。電位は1点の値、電圧は2点の差です。

❌ ミス②：電界の向きを間違える

間違い：電界は負電荷から出る
→ 正解：電界は正電荷から出て、負電荷に入ります。

❌ ミス③：等電位面と電気力線が交差する

間違い：等電位面と電気力線は斜めに交わる
→ 正解：等電位面と電気力線は必ず直交（90度）します。

📚 頻出パターン

✅ 平行平板コンデンサの電界 → E=V/d の計算問題

✅ 点電荷のまわりの電界と電位 → E=kQ/r²、V=kQ/r の公式問題

✅ 仕事と電位の関係 → W=qV の計算問題

✅ 等電位面の性質 → 電気力線との直交関係

✅ 電界の向き → 正負電荷による電界の向きの判定

💡 暗記のコツ

覚え方①：電界E = 「Electric wind（電気の風）」

覚え方②：電位V = 「Voltage height（電圧の高さ）」

覚え方③：電界の向き = 「正から出て負に入る」（水が高→低と同じ）

覚え方④：E=V/d = 「EはVをdistanceで割る」

✅ この記事のポイント総まとめ

📌 電界E = 電荷のまわりの「力の場」。風に例えると理解しやすい

📌 E=F/q = 1Cの電荷が受ける力の大きさ

📌 電位V = 電気の世界での「標高」。山の高さに例えると分かりやすい

📌 電位差=電圧 = 2点間の電位の差。水の高低差と同じ

📌 E=V/d = 電界は電位の傾き。坂の急さを表す

📌 等電位面 = 地図の等高線と同じ。電気力線と直交する

📚 次のステップ

電界と電位をマスターしたら、次は「コンデンサ」や「静電エネルギー」に進みましょう。
この記事で学んだ知識が、そのまま土台になります。