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ガウスの法則の基本md 07d342b
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ガウスの法則ほうそくの基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_d48ef72601582aceea73c57758a74640description電気力線の束として電束を定義し、ガウスの法則から球対称電場、無限平面、平行板間の電場を証明する講義である。prerequisites電場と電位 / ベクトルと内積 / 単位・次元type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/electromagnetism/electric-fields-and-potential.lecture.n.md / data/lecture/physics/electromagnetism/capacitors.lecture.n.md
physicselectromagnetismgauss-lawlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、対称性たいしょうせいが高たかい電荷分布でんかぶんぷでは、クーロンの法則ほうそくを一点いってんずつ足たすより、ガウスの法則ほうそくによって電場でんばを効率的こうりつてきに求もとめられることを説明せつめいする。

電場でんばが面めんをどれだけ貫つらぬくかを電束でんそくとして数かぞえると、閉曲面へいきょくめんを貫つらぬく電束でんそくは、その内側うちがわにある電荷でんかだけで決きまる。これがガウスの法則ほうそくである。

2用語ようごと定義ていぎ

電束でんそくelectric flux ΦE とは、面めんを貫つらぬく電場でんばの量りょうであり、

ΦE=∫SE→·dS→

で定義ていぎする。

閉曲面へいきょくめんclosed surfaceとは、内側うちがわと外側そとがわを分わける閉とじた面めんである。

3法則ほうそく:ガウスの法則ほうそく

閉曲面へいきょくめん S を外向そとむき法線ほうせんで考かんがえると、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]∫SE→·dS→=Qinε0

である。ここで Qin は閉曲面へいきょくめんの内側うちがわにある電荷でんかの総量そうりょうである。

4方針ほうしん

ガウスの法則ほうそくは、対称性たいしょうせいがあるときに強つよい。

  1. 球対称きゅうたいしょうなら球面きゅうめんを選えらぶ。
  2. 円筒対称えんとうたいしょうなら円筒面えんとうめんを選えらぶ。
  3. 平面対称へいめんたいしょうなら柱状ちゅうじょうのガウス面めんを選えらぶ。
  4. 面めんの上うえで E が一定いっていになるように選えらぶ。

5関係式かんけいしき 1:点電荷てんでんかの電場でんば

点電荷てんでんか Q を中心ちゅうしんとする半径はんけい r の球面上きゅうめんじょうでは、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]E=14πε0|Q|r2

である。

5.1証明しょうめい

点電荷てんでんかを中心ちゅうしんに置おくと、対称性たいしょうせいより電場でんばは中心ちゅうしんから放射状ほうしゃじょうであり、同おなじ半径はんけい r の球面上きゅうめんじょうで大おおきさは一定いっていである。

球面きゅうめんをガウス面めんに取とると、

∫SE→·dS→=E·4πr2

である。ガウスの法則ほうそくより

E·4πr2=|Q|ε0

なので、

E=14πε0|Q|r2

を得える。

6関係式かんけいしき 2:無限平面むげんへいめんの電場でんば

面電荷密度めんでんかみつど σ の無限平面むげんへいめんが作つくる電場でんばの大おおきさは、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]E=σ2ε0

である。

6.1証明しょうめい

平面へいめんに垂直すいちょくな向むきに電場でんばが出でる。平面へいめんをまたぐ薄うすい柱はしらをガウス面めんに取とり、その底面積ていめんせきを S とする。側面そくめんでは電場でんばが面めんに平行へいこうなので電束でんそくは 0 である。

上面じょうめんと下面かめんを通とおる電束でんそくはそれぞれ ES なので、

ΦE=2ES

である。内側うちがわの電荷でんかは

Qin=σS

である。ガウスの法則ほうそくより

2ES=σSε0

だから、

E=σ2ε0

を得える。

7関係式かんけいしき 3:平行板へいこうばんの内側うちがわの電場でんば

面電荷密度めんでんかみつど +σ と -σ をもつ 2 枚まいの十分じゅうぶん広ひろい平行板へいこうばんの間あいだでは、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]E=σε0

である。

7.1証明しょうめい

関係式かんけいしき 2 より、1 枚まいの無限平面むげんへいめんが作つくる電場でんばは σ/(2ε0) である。正せいの板いたからは外向そとむきに、負ふの板いたへは内向うちむきに電場でんばが向むく。

2 枚まいの板いたの間あいだでは、この 2 つの電場でんばが同おなじ向むきに重かさなる。したがって

E=σ2ε0+σ2ε0=σε0

である。外側そとがわでは 2 つの電場でんばが反対向はんたいむきなので打うち消けし合あう。

8見分みわけ方かた

  • 球対称きゅうたいしょうなら球面きゅうめん。
  • 無限平面むげんへいめんなら柱はしらのガウス面めん。
  • 内部電荷ないぶでんかだけが電束でんそくを決きめる。

9どこまで成立せいりつするか

ガウスの法則ほうそくそのものは一般的いっぱんてきに成立せいりつする。しかし、そこから簡単かんたんに E を取とり出だせるのは、面めんの上うえで電場でんばの大おおきさが一定いっていになるほど対称性たいしょうせいが高たかい場合ばあいである。

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]∫SE→·dS→=Qinε0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Eplane=σ2ε0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Eplates=σε0

11一言ひとこと

ガウスの法則ほうそくは、電場でんばを一点いってんずつ足たす代かわりに、閉曲面へいきょくめんを通とおる総量そうりょうで見みるための道具どうぐである。

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