電磁気学II • • 担当:曺 基哲(236室、[email protected]) 授業日程 • • • • • • 10月(5回):2, 9, 16, 23, 30 11月(3回):6, (13は休講), 20, 27 12月(2回):4, 11, 18 (25は木曜の授業) 1月(4回):8, 15, 22(29は金曜の授業) 2月5日:期末テスト 参考図書 • ゼロからの電磁気学II(出口、和達、十河、岩波書店) 電磁気学II • 講義内容、計画 • • • • • • 静磁場(2回) 電磁誘導(3回)∼電場、磁場が時間的に変化する場合∼ 時間変動する電流回路(2回) マクスウェル方程式(3回) 真空中の電磁波(3回) 誘電体中の電磁場(2回) 電磁気学II 第一回 静磁場(1) •磁場中での荷電粒子の運動(ローレンツ力) •電流と磁場(アンペールの法則とビオ・サバールの法則) 電磁気学II 第一回 静磁場(1) ここで扱う内容の多くはすでに高校時代に学んだものと重 複するかも知れません。しかし、その表現においてベクト ル、微分、積分等を用いることで物理として取り扱える対 象がとても豊富になる、ということを感じて下さい。 1. 磁場中での荷電粒子の運動 1.1 ローレンツ力 F = qv B F = qv B この式が何を表すか、厳密に説明せよ。 Figure 1.1: Lorentz 力 例)磁場の方向を z 軸の正方向、荷電粒子(電荷 q )が y 軸の正方向に速度 v で運動 場合 (Fig.1.1) 。 図のように、速度と磁場のベクトルが直交しているとき F = qv × B = q (vey ) × (Bez ) = qvBex 2 (1.2) 1.2 磁場中を通る電流 電流=電荷の流れ 電荷は磁場から力を受ける→電流も磁場から力を受ける 電荷(荷電粒子)に働くローレンツ力から、電流に働く力を導いて見る 1.2 磁場中を通る電流 導体中を平均速度 v[m/s] で流れる、 set up 直線導体:断面積S[m^2] 荷電粒子:電荷q、平均速度v[m/s]、数密度n[m^-3] 面を流れる電流 I (1 秒間に断面を通過 電流(I) =1秒間に断面を通過する電荷量 I = qnvS りのローレンツ力の大きさは qvB 、単 1.2 磁場中を通る電流 導体中を平均速度 v[m/s] で流れる、 set up 直線導体:断面積S[m^2] 荷電粒子:電荷q、平均速度v[m/s]、数密度n[m^-3] 面を流れる電流 I (1 秒間に断面を通過 電流(I) =1秒間に断面を通過する電荷量 I = qnvS りのローレンツ力の大きさは qvB 、単 の直線導体中を平均速度 v[m/s] で流れる、電荷 q の荷電粒子 荷電粒子 1 つ当りのローレンツ力の大きさは qvB 、単位長 1.2 磁場中を通る電流 、断面を流れる電流 I (qvB 1 秒間に断面を通過する電荷量)は F = × nS 、単位長さにかかるローレンツ力の大きさ F は I = qnvS を用いると 荷電粒子1つ当りのローレンツ力の大きさ: F = qvB × nS 単位長さの導線中の粒子数: 1 つ当りのローレンツ力の大きさは qvB 、単位長さの導線中の F = IB 電流 (1.3) を用いると さにかかるローレンツ力の大きさ Fは 単位長さにかかるローレンツ力の大きさ F = qvB × nS F = IB は以下のように考える。電流の方向を荷電粒子の進む方 (正電荷の)荷電粒子の進む方向=電流の方向 を用いると る。 F =I ×B ついては以下のように考える。電流の方向を荷電粒子の F = IB 注:磁場の単位はT(Tesla)もしくはG(Gauss)である。これらについて調べ、 の直線導体中を平均速度 Iv[m/s] で流れる、電荷 q の荷電粒子 いると、断面を流れる電流 (1 秒間に断面を通過する電荷量)は 荷電粒子 1 つ当りのローレンツ力の大きさは qvB 、単位長 1.2 磁場中を通る電流 、断面を流れる電流 I (qvB 1 秒間に断面を通過する電荷量)は F = × nS I = qnvS 、単位長さにかかるローレンツ力の大きさ Fは I = qnvS を用いると 粒子 1 つ当りのローレンツ力の大きさは 荷電粒子1つ当りのローレンツ力の大きさ: qvB 、単位長さの導線中 F = qvB × nS 単位長さにかかるローレンツ力の大きさ F は 単位長さの導線中の粒子数: 1 つ当りのローレンツ力の大きさは qvB 、単位長さの導線中の F = IB 電流 (1.3) を用いると さにかかるローレンツ力の大きさ F は F = qvB × nS 単位長さにかかるローレンツ力の大きさ F = IB (1.3) を用いると F = qvB × nS は以下のように考える。電流の方向を荷電粒子の進む方 (正電荷の)荷電粒子の進む方向=電流の方向 を用いると F = IB る。 F =I ×B ついては以下のように考える。電流の方向を荷電粒子の F = IB 注:磁場の単位はT(Tesla)もしくはG(Gauss)である。これらについて調べ、 いては以下のように考える。電流の方向を荷電粒子の進む方向と −3 ] を用いると、断 n[m の直線導体中を平均速度 Iv[m/s] で流れる、電荷 q の荷電粒子 いると、断面を流れる電流 (1 秒間に断面を通過する電荷量)は 荷電粒子 1 つ当りのローレンツ力の大きさは qvB 、単位長 1.2 磁場中を通る電流 、断面を流れる電流 I (qvB 1 秒間に断面を通過する電荷量)は F = × nS I = qnvS 、単位長さにかかるローレンツ力の大きさ Fは I = qnvS を用いると 粒子 1 つ当りのローレンツ力の大きさは 、単位長さの導線中 荷電粒子1つ当りのローレンツ力の大きさ: qvB である。荷電粒子 1 つ当 F = qvB × nS 単位長さにかかるローレンツ力の大きさ F は nS なので、単位長さに 単位長さの導線中の粒子数: 1 つ当りのローレンツ力の大きさは qvB 、単位長さの導線中の F = IB 電流 (1.3) を用いると さにかかるローレンツ力の大きさ F は F = qvB × nS 単位長さにかかるローレンツ力の大きさ F = IB (1.3) を用いると F = qvB × nS である。電流 (1.3) を用 は以下のように考える。電流の方向を荷電粒子の進む方 (正電荷の)荷電粒子の進む方向=電流の方向 を用いると F = IB る。 F =I ×B ついては以下のように考える。電流の方向を荷電粒子の F = IB と表される。 注:磁場の単位はT(Tesla)もしくはG(Gauss)である。これらについて調べ、 いては以下のように考える。電流の方向を荷電粒子の進む方向と −3 ] を用いると、断 n[m の直線導体中を平均速度 Iv[m/s] で流れる、電荷 q の荷電粒子 いると、断面を流れる電流 (1 秒間に断面を通過する電荷量)は 荷電粒子 1 つ当りのローレンツ力の大きさは qvB 、単位長 1.2 磁場中を通る電流 、断面を流れる電流 I (qvB 1 秒間に断面を通過する電荷量)は F = × nS I = qnvS 、単位長さにかかるローレンツ力の大きさ Fは I = qnvS を用いると 粒子 1 つ当りのローレンツ力の大きさは 、単位長さの導線中 荷電粒子1つ当りのローレンツ力の大きさ: qvB である。荷電粒子 1 つ当 F = qvB × nS 単位長さにかかるローレンツ力の大きさ F は nS なので、単位長さに 単位長さの導線中の粒子数: 1 つ当りのローレンツ力の大きさは qvB 、単位長さの導線中の F = IB 電流 (1.3) を用いると さにかかるローレンツ力の大きさ F は F = qvB × nS 単位長さにかかるローレンツ力の大きさ F = IB (1.3) を用いると F = qvB × nS である。電流 (1.3) を用 は以下のように考える。電流の方向を荷電粒子の進む方 (正電荷の)荷電粒子の進む方向=電流の方向 を用いると F = IB る。 F =I ×B ついては以下のように考える。電流の方向を荷電粒子の F = IB と表される。 注:磁場の単位はT(Tesla)もしくはG(Gauss)である。これらについて調べ、 いては以下のように考える。電流の方向を荷電粒子の進む方向と −3 ] を用いると、断 n[m の直線導体中を平均速度 Iv[m/s] で流れる、電荷 q の荷電粒子 いると、断面を流れる電流 (1 秒間に断面を通過する電荷量)は 荷電粒子 1 つ当りのローレンツ力の大きさは qvB 、単位長 1.2 磁場中を通る電流 、断面を流れる電流 I (qvB 1 秒間に断面を通過する電荷量)は F = × nS I = qnvS 、単位長さにかかるローレンツ力の大きさ Fは I = qnvS を用いると 粒子 1 つ当りのローレンツ力の大きさは 、単位長さの導線中 荷電粒子1つ当りのローレンツ力の大きさ: qvB である。荷電粒子 1 つ当 F = qvB × nS 単位長さにかかるローレンツ力の大きさ F は nS なので、単位長さに 単位長さの導線中の粒子数: 1 つ当りのローレンツ力の大きさは qvB 、単位長さの導線中の F = IB 電流 (1.3) を用いると さにかかるローレンツ力の大きさ F は F = qvB × nS 単位長さにかかるローレンツ力の大きさ F = IB (1.3) を用いると F = qvB × nS である。電流 (1.3) を用 は以下のように考える。電流の方向を荷電粒子の進む方 (正電荷の)荷電粒子の進む方向=電流の方向 を用いると F = IB る。 F =I ×B ついては以下のように考える。電流の方向を荷電粒子の F = IB と表される。 注:磁場の単位はT(Tesla)もしくはG(Gauss)である。これらについて調べ、 いては以下のように考える。電流の方向を荷電粒子の進む方向と 1.3 電流と磁場 磁場中においた電流は力を受ける(ローレンツ力) 観測より、電流が流れると周囲に磁場が発生することがわ かった。 これが本当なら、電流と磁場は不可分の関係にある 電流の大きさと磁場の強さの関係を表す法則を学ぶ 1.3 電流と磁場 (観測から) 無限に長い直線電流(I)を取り囲むように磁場が生じる 方向は電流の流れる方向に対して右ねじの向き 円周上では磁場の強さは一定 :無限に長い直線に沿って流れる電流 I を取り囲むように磁 ると表される電流の方向に対して右ネジの進む向き。円周上 れるきさは一定。半径 a とすると次の関係が認められる: →これだけから、磁場の強さと電流の大きさの関係が決まる。 B(a) = µ0 I 2πa これをより一般化して表す→アンペールの法則 真空の透磁率。 1.3.1 アンペールの法則 B(r(θ)) = |B(r)|(− sin θ, cos θ, 0) 結局 C 2π 0 B(r) · dr = µ0 I 閉じた径路Cに沿って磁場Bを足し 合わせる(積分)→径路を貫く電流 2 に比例 |B(r)|r (− sin θ, cos θ, 0) dθ = 2πrB(r) ールの法則からこの場合の磁場は 直線電流の場合:対称性から、電流からの距離rの円周上では磁場の強さは同じ µ0 I B(r) = 2πr (例)ソレノイド内部の磁場 高校物理でやっているはず 径路の縦方向の磁場:隣同士でキャンセル ソレノイド内部で径路を取ると… (例)ソレノイド内部の磁場 図のように径路を取る 1.3.2 ビオ・サバールの法則 µ0 Iet ⇥ ⇥ (r R) B(r) = 3 4 |r R| 電流要素からある距離離れたところでの磁 場の強さを与える。 ややこしそうに書いているが、空間内の任 意の位置を原点にとっているせい。 電流要素の位置を原点に取ると r-R は r に 置き換わる。 アンペールの法則との違い?(考えてみ て下さい) • 練習問題(5題) • • • • 提出方法:PDFファイルにして、電子メールで提出 提出先:[email protected] この講義資料および練習問題のファイルは以下のURLからダウンロー ドできます • • 教科書の例題レベルです。各自が解いて、提出して下さい。 http://www.phys.ocha.ac.jp/cho/em2012.html 履修登録期間終了後は「Plone」というシステム(https:// crdeg.cf.ocha.ac.jp/ocha/Plone)を利用することを検討中。
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