電荷（Electric Charge）— クーロン・クーロン力・正負電荷の基礎

電荷は物質が持つ最も基本的な電気的性質であり、電気現象のすべての根源となる量だ。電荷を持つ物体同士は離れていても力を及ぼし合い（クーロン力）、その力が電場・電位・電流の概念の出発点となる。電荷の単位はクーロン（C）。情報カットオフ〜2025-08、confidence: medium 固定。

電荷の定義と種類

電荷は物質が持つ電気的性質を表す物理量であり、**正電荷（+）と負電荷（−）**の 2 種類が存在する。

正電荷：陽子が持つ電荷。プロトンの電荷量 = +e（素電荷）。
負電荷：電子が持つ電荷。電子の電荷量 = −e（素電荷）。

物質は通常、正電荷と負電荷が等量であるため電気的に中性だ。摩擦・化学反応・光照射などによって電荷の偏りが生じると、物体は「帯電」した状態になる。

電荷保存則：孤立系における電荷の総量は変化しない。電荷は生成も消滅もしない（対消滅・対生成では正負の電荷が同時に等量生成・消滅するため、合計は変わらない）。

電荷の単位：クーロン（C）

電荷の SI 単位はクーロン（C）。定義は「1 秒間に 1 アンペアの電流が流れるときに移動する電荷量」であり、C = A·s（アンペア秒）と表せる。

量	値
素電荷 e（陽子・電子 1 個の電荷量）	1.602×10⁻¹⁹ C
電子 1 個の電荷量	−1.602×10⁻¹⁹ C
1 C に相当する電子の数	約 6.24×10¹⁸ 個

日常で扱う電荷量は非常に大きい。例えば乾電池（1.5 V・容量 2,000 mAh）が放電する総電荷量は 2.0 A·h = 7,200 C であり、これは約 4.5×10²² 個の電子の移動に相当する。

クーロンの法則

2 つの点電荷 q₁ と q₂ が距離 r だけ離れているとき、両者の間に働く力（クーロン力）は次の式で表される。

F = k · q₁ · q₂ / r²

F: 力の大きさ（N: ニュートン）
q₁、q₂: 各電荷量（C: クーロン）
r: 2 電荷間の距離（m: メートル）
k: クーロン定数 ≒ 9.0×10⁹ N·m²/C²

クーロン定数 k は真空の誘電率 ε₀ を用いて k = 1 / (4πε₀) と書ける（ε₀ ≒ 8.85×10⁻¹² C²/(N·m²)）。

クーロンの法則の特徴：

距離の 2 乗に反比例：距離が 2 倍になると力は 1/4 になる。
同符号は反発、異符号は引き合う：q₁·q₂ が正（同符号）なら斥力、負（異符号）なら引力。
万有引力との類似性：F = G·m₁·m₂/r² と同形。ただし電荷は正負があるため引力・斥力の両方が存在するのに対し、重力は常に引力。

静電気と帯電

日常で経験する「静電気」は電荷の偏りによる現象だ。絶縁体同士を摩擦すると、電子が一方の物体から他方へ移動し、両者が逆の符号で帯電する。

現象	メカニズム
下敷きで髪が逆立つ	摩擦帯電により下敷きが負に帯電し、髪（正電荷誘導）を引きつける
ドアノブでの放電	蓄積した電荷が急速に移動する（静電放電 ESD）
雷	積乱雲内の大規模な電荷分離による放電現象
コピー機のトナー転写	静電気による荷電トナー粒子の誘引

電荷と電場の関係

電荷 q を持つ粒子は周囲に電場を形成する。正電荷は外向きに、負電荷は内向きに電場の力線（電気力線）を持つ。電場の強さは E = kq / r²（点電荷から距離 r の電場強度）で表される。

電場と電荷の関係は、電荷が「電場の源」であるという対称性を持つ：電荷が電場を作り、電場が別の電荷に力を及ぼす。詳細は電場記事（tech-318）を参照。

量子的な電荷の性質

古典物理では電荷は連続量として扱うが、量子論では電荷は量子化されている。すなわち、電荷は素電荷 e（= 1.602×10⁻¹⁹ C）の整数倍のみを取る。クォークは e の 1/3 や 2/3 の分数電荷を持つが、観測可能な粒子（ハドロン）としては常に整数倍に閉じ込められる（カラー閉じ込め）。

情報カットオフ〜2025-08、confidence: medium 固定。

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