ドアノブのパチッは、電気が生まれた音ではない ── 静電気は、かたよりがもどるときに鳴る

教科書のどこに出てくるか

先に正直なことを書いておきます。「静電気」という言葉は、小学校の理科の教科書にはほとんど出てきません。くわしく習うのは中学2年です。それなのにこの記事を書いたのは、小学生のほうが先に、体で経験してしまっているからです。冬のドアノブ、下じきと髪の毛、セーターを脱ぐときのパチパチ、テレビの画面にたまるほこり。習う前に出会っているのに、説明だけが何年も先にある、という妙な状態になっています。

とはいえ、まったくの白紙から始める話でもありません。4年生では「電気のはたらき」で、かん電池と回路を習いました。3年生では「電気の通り道」で、輪のようにつながったときだけ明かりがつくことを確かめています。この記事は、その知識のすぐ横に立っています。

表の下から二行が、この記事でいちばん引っかかるところだと思います。電圧はかん電池の何千倍もあるのに、エネルギーはずっと少ない。この二つが同時に成り立つ理由は、あとの節でちゃんと説明します。

こすっても、電気は増えていない

まず、いちばん大事なところから。物の中には、はじめから電気が入っています。何もしていない下じきにも、あなたの手にも、机にも入っています。しかも、プラスの電気とマイナスの電気が、きっちり同じ数だけ入っています。

同じ数あるとどうなるか。おたがいに打ち消し合って、外から見ると「電気がない」ように見えます。ふだん下じきにさわっても何も起きないのは、電気がないからではなく、プラスとマイナスが引き分けているからです。

さて、ここでこすります。こすると何が起きるか。プラスは動きません。動けるのはマイナスのほうだけです。プラスの電気は物のしんの部分にがっちり固定されていて、こすったくらいでは引っこししません。マイナスの電気は、そのまわりにいて、相手によっては引っこすことができます。

下じきを髪の毛でこすると、髪の毛のマイナスが何個か下じきへ引っこします。すると、こうなります。

よく見てください。マイナスの合計は、こする前もあとも同じ数です。下じきに13個、髪に7個、合わせて20個。こする前も、10個と10個で20個でした。新しく作られた電気は、ひとつもありません。

言いかえると、こすったあとの二つの物は、けんかをしているのではなく、貸し借りをしている状態です。借りた側はマイナスが多く、貸した側は足りない。そして自然は、この貸し借りをそのままにしておくのがあまり好きではありません。ここから先の話は、すべて「借りたものが、いつ、どうやって返るか」の話になります。

どちらがプラスになるかは、相手で決まる

ここでよくある質問があります。「下じきがマイナスになると決まっているのか」。決まっていません。どちらがマイナスを受け取るかは、組み合わせで変わります。

物には「マイナスを手ばなしやすい順番」があります。おおまかに並べると、こうなります。

この並びで左にあるほうがプラス、右にあるほうがマイナスになります。髪の毛と下じきなら、髪が左なので髪がプラス、下じきがマイナス。これがさっきの図でした。

おもしろいのは、同じ物でも相手によって結果がひっくり返ることです。紙は、下じきとこすれば左側なのでプラスになりますが、髪の毛とこすれば右側なのでマイナスになります。紙そのものに「プラスの性質」があるわけではありません。あくまで二つのものの関係で決まります。

セーターを脱ぐときにパチパチいうのも、この表で説明がつきます。毛のセーターは左のほう、下に着ているシャツがポリエステルなら右のほう。離れた組み合わせほどマイナスがたくさん引っこすので、かたよりが大きくなります。もめんの肌着なら、セーターとの距離が近いので、そこまで派手にはなりません。

引き合うか、しりぞけ合うか ── 髪が1本ずつ立つ理由

かたよりができると、物と物のあいだに力が生まれます。きまりは二行だけです。

これで、あの実験が読めます。下じきで髪をこすったあと、髪が1本ずつばらばらに立ち上がりますね。あれは下じきに引っぱられているだけではありません。こすられた髪はどの1本もプラスになったので、となりの髪としりぞけ合い、たがいにできるだけ遠ざかろうとして広がっているのです。1本ずつ、すき間をあけて立つのはそのためです。

同時に、髪はマイナスになった下じきのほうへ引きよせられます。しりぞけ合う力と引き合う力が、同じ頭の上で同時に起きている。だから下じきを持ち上げると、髪が広がったままついてきます。

こすっていない紙まで引きよせられるのは、なぜか

ここが、静電気でいちばんふしぎに見えるところです。こすった下じきを、ちぎったティッシュに近づけると、ティッシュが飛びついてきます。でもティッシュはこすっていません。プラスにもマイナスにもかたよっていないはずです。かたよっていないものが、なぜ引かれるのでしょうか。

答えは、近づけた瞬間に、ティッシュの中でかたよりが起きるからです。

下じきのマイナスが、ティッシュの中のマイナスを向こう側へ押しやり、プラスを手前に残します。ティッシュ全体ではプラスもマイナスも数は変わっていないのに、場所だけがずれるのです。

そうすると、下じきに近いのはプラス（＝引き合う）、遠いのはマイナス（＝しりぞけ合う）になります。力は近いほど強いので、引き合う力が勝ちます。結果として、こすっていないティッシュが引きよせられる。風船がかべにはりつくのも、テレビの画面にほこりがたまるのも、水道の細い水の流れが下じきに近づけると曲がるのも、全部これです。

ここで、3年生で習ったじしゃくと比べてみると、ちがいがはっきりします。

「じしゃくみたいなもの」と説明されることがありますが、引きつける相手の広さがまるでちがいます。じしゃくを紙に近づけても何も起きません。静電気は紙でも水でも引きます。にているのは「近づけただけで力がはたらく」という一点だけです。

パチッの正体 ── 空気をむりやり通ってもどる

さて、本題にもどります。ドアノブです。

冬、へやの中を歩いているだけでも、くつ下とゆか、服と服がこすれています。そのたびにマイナスの貸し借りが起きて、体全体がじわじわとかたよっていきます。これが、よく言われる「静電気がたまった」状態です。ただし正確には、電気がたまったのではなく、かたよりが大きくなったのでした。

ここで金属のドアノブに手をのばします。金属は、マイナスがとても動きやすい物です。つまり、かたよりを直すのにこれ以上ないほど都合のいい相手が、目の前にあらわれたことになります。

ところが、あいだに空気があります。空気は電気を通さない物です。電池と豆電球のあいだの線を切ったら明かりが消えるのと同じで、ふつうなら何も起きないはずです。

ところが、かたよりが大きくなりすぎると、通さないはずの空気をむりやり通りぬけてしまうのです。空気1ミリメートルをこじあけるのに、だいたい3000ボルトの力が要ります。冬に体がためこむかたよりは、しばしばこれをこえます。

あの音は、電気そのものの音ではありません。電気が通った道の空気が、一瞬で熱せられてふくらんだ音です。暗いところでやると、うすく光るのが見えます。音も光も、出しているのは空気のほうです。

そして、いちばん大事なこと。パチッと鳴った時点で、かたよりはもう終わっています。たまっていくあいだは何も感じません。感じるのは、もどる一瞬だけです。だから「たまっている電気が痛い」のではなく、「返しているときが痛い」が正しい言い方になります。

電圧は数千ボルト。それでも、けがをしない理由

ここで、最初の表にあった気になる行にもどります。静電気は数千ボルト、かん電池は1.5ボルト。数千倍です。それなのに、かん電池をさわっても平気で、静電気はあんなに痛い。しかも、静電気で大けがをしたという話は聞きません。どうなっているのでしょうか。

ボルトという単位は、電気を押す力の強さを表しています。電気の量ではありません。どれだけ強く押しても、押すものがほんの少ししかなければ、できる仕事はたかが知れています。

数で比べてみます。単3のアルカリかん電池1本がもっているエネルギーは、およそ1万ジュール。ドアノブのパチッ1回分は、およそ1000分の1ジュールです。

だから、あれだけ強く押されても、走る電気はほんのひとにぎりで、しかも1000分の1秒よりも短いあいだに終わります。強さは一級、量は最低。痛いのに無事なのは、そういう理由です。

夏にパチッとこないのは、静電気が起きていないからではない

「静電気は冬のもの」と思われています。半分だけ当たっています。こすれば夏でも同じようにかたよります。ちがうのは、そのあとです。

空気の中には、水の粒がうかんでいます。しめった日にはたくさん、かわいた日にはわずかしかありません。この水の粒は、物の表面にうすい膜をつくります。そして、水はマイナスの電気を運べるのです。

おおよその目安として、しめり気が2割を切るころからよく起きるようになり、6割をこえるとほとんど起きなくなります。冬の部屋は、暖房をつけるとさらにかわきます。「冬に静電気が増える」のではなく、「冬は逃げ道がふさがる」。これが正しい理解です。

ついでに、もう一つの勘ちがいも片づけておきます。

防ぐ方法が、なぜ効くのか

静電気を防ぐ方法はいくつも紹介されていますが、おまじないのように覚えると忘れます。理由といっしょに見ると、どれも同じ一つの考え方でできていることがわかります。逃がすなと言っているのではなく、ゆっくり逃がせと言っているのです。

どれも、電気を消しているわけではありません。逃げていく量は同じで、ちがうのは速さだけです。一瞬で返すから火花になり、じわじわ返すから何も起きない。ここが分かっていれば、新しい方法を自分で考えることもできます。

同じことが、空でも起きている

最後に、いちばん大きな静電気の話をします。かみなりです。

大きくふくれ上がった雲の中では、上のほうに氷の粒、下のほうに水の粒があり、はげしい空気の流れでぶつかり合っています。ぶつかってこすれると、どうなるか。もう知っていますね。マイナスが引っこして、かたよりができます。

ドアノブとまったく同じ順番です。ちがうのは大きさだけで、こちらは数億ボルト、走る道すじは数キロメートルにもなります。空気が一瞬で熱せられてはじける音が、あのゴロゴロという雷鳴です。指先で鳴るパチッと、空でとどろくかみなりは、規模がちがうだけの同じ現象でした。

ついでに言えば、光が先に見えて音があとから聞こえるのも、両方に共通しています。ドアノブでは近すぎて差が分かりませんが、かみなりでは何秒もずれます。音が空気の中を進む速さは1秒に約340メートルですから、光ってから3秒後に鳴れば、およそ1キロメートル先ということになります。

やってみよう

Q1とQ2は引き合う力としりぞけ合う力、Q3とQ4は逃げ道の話、Q5は量の見方。ばらばらに見えますが、動いているのは「電気は生まれず、かたよって、やがてもどる」という一本の筋だけです。