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アンペールの法則の基本md cf9b7f8
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アンペールの法則ほうそく基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_8adc60dfa84fa8c50db7ce24604e766bdescriptionアンペールの法則を磁場の循環と電流の関係として定義し、直線電流、ソレノイド、トロイドの磁場を証明する講義である。prerequisites電流と回路 / 磁場と電磁誘導 / 円運動と単振動type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/electromagnetism/magnetic-fields-and-electromagnetic-induction.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/biot-savart-law-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/introduction-to-maxwell-equations.lecture.n.md
physicselectromagnetismampere-lawlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、アンペールの法則ほうそくを「電流でんりゅうのまわりで磁場じばがどれだけめぐるか」をはか法則ほうそくとして解説かいせつする。

電場でんばでは、対称性たいしょうせいたかいときにガウスの法則ほうそく電場でんばした。磁場じばでは、閉曲線へいきょくせん沿磁場じば線積分せんせきぶん使つかう。これが磁場じば循環じゅんかんである。

2用語ようご定義ていぎ

線積分せんせきぶんline integral CB·dl とは、曲線きょくせん C沿磁場じば成分せいぶんわせたりょうである。

循環じゅんかんcirculationとは、閉曲線へいきょくせん沿線積分せんせきぶん

CB·dl

である。

3法則ほうそく:アンペールの法則ほうそく

定常電流ていじょうでんりゅうについて、閉曲線へいきょくせん Cつらぬ電流でんりゅう総量そうりょうIenc とすると、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]CB·dl=μ0Ienc

である。

4方針ほうしん

アンペールの法則ほうそくは、対称性たいしょうせいつよく、閉曲線へいきょくせんうえB一定いっていとしてそとせるときにつよい。

  1. 磁場じばきに沿閉曲線へいきょくせんえらぶ。
  2. その曲線上きょくせんじょうB一定いっていかを確認かくにんする。
  3. 内側うちがわつらぬ電流でんりゅう Iencかぞえる。
  4. B·dl=μ0Ienc代入だいにゅうする。

5関係式かんけいしき 1:なが直線電流ちょくせんでんりゅう磁場じば

なが直線導線ちょくせんどうせん電流でんりゅう Iながれるとき、導線どうせんから距離きょり rてんでの磁場じばおおきさは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]B=μ0I2πr

である。

5.1証明しょうめい

直線導線ちょくせんどうせんのまわりでは、対称性たいしょうせいにより磁場じば導線どうせん中心ちゅうしんとする円周方向えんしゅうほうこうく。またおな半径はんけい r円周上えんしゅうじょうB一定いっていである。

半径はんけい rえんをアンペール回路かいろると、dl磁場じばおなきなので

CB·dl=CBdl=BCdl=B(2πr)

である。回路かいろかこ電流でんりゅうI なので、アンペールの法則ほうそくより

B(2πr)=μ0I

である。よって

B=μ0I2πr

る。

6関係式かんけいしき 2:ながいソレノイド内部ないぶ磁場じば

1 単位長たんいながさあたりの巻数まきすうn電流でんりゅうI とする十分じゅうぶんながいソレノイドの内部ないぶでは、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]B=μ0nI

である。

6.1証明しょうめい

十分じゅうぶんながいソレノイドでは、内部ないぶ磁場じばはほぼ一様いちよう軸方向じくほうこう外部がいぶ磁場じばちいさいとみなす。

ながへんをソレノイド内部ないぶ長方形ちょうほうけいのアンペール回路かいろる。内部ないぶへんだけがおも寄与きよし、

CB·dl=B

である。この回路かいろつらぬ巻数まきすうn であり、全電流ぜんでんりゅう

Ienc=nI

である。したがって

B=μ0nI

より

B=μ0nI

る。

7関係式かんけいしき 3:トロイド内部ないぶ磁場じば

N かいいたトロイドに電流でんりゅう Iながれるとき、中心ちゅうしんから距離きょり r内部ないぶでは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]B=μ0NI2πr

である。

7.1証明しょうめい

トロイドの対称性たいしょうせいより、磁場じば円周方向えんしゅうほうこうき、半径はんけい r円周上えんしゅうじょうおおきさは一定いっていである。半径はんけい rえんをアンペール回路かいろると、

CB·dl=B(2πr)

である。回路かいろかこ電流でんりゅうは、N ほん巻線まきせんつらぬくので

Ienc=NI

である。よって

B(2πr)=μ0NI

となり、

B=μ0NI2πr

る。

8どこまで成立せいりつするか

ここでのアンペールの法則ほうそく定常電流ていじょうでんりゅうかたちである。電場でんば時間変化じかんへんかする場合ばあいには、マクスウェルがくわえた変位電流へんいでんりゅうこう必要ひつようになる。

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9見分みわかた

  • 円周上えんしゅうじょうB一定いっていならアンペールが有効ゆうこうである。
  • なが直線電流ちょくせんでんりゅう、ソレノイド、トロイドは典型てんけいである。
  • 導線どうせんかたち複雑ふくざつB線積分せんせきぶんそとせないなら、ビオ・サバールを使つかう。

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]CB·dl=μ0Ienc
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Bwire=μ0I2πr
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Bsolenoid=μ0nI

11一言ひとこと

アンペールの法則ほうそくは、電流でんりゅうつく磁場じばめぐりをはかり、対称性たいしょうせいつよいときに B一気いっき道具どうぐである。

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